Ultradźwięki i infradźwięki
Czy zwierzęta słyszą takie same dźwięki jak ludzie? Czy badanie USG ma coś wspólnego z fizyką?
podać zakres częstotliwości drgań mechanicznych, na które reaguje ludzkie ucho (od 20 Hz do 20 kHz);
wykazać, że fale dźwiękowe przenoszą energię;
uzasadnić twierdzenie, że fale dźwiękowe rozchodzą się z prędkością zależną od ośrodka.
podawać definicje fal ultradźwiękowych i infradźwiękowych;
wymieniać przykłady źródeł tych fal w naturze;
podawać przykłady urządzeń generujących różne rodzaje fal;
opisywać przykłady zastosowań ultra- i infradźwięków.
1. Infradźwięki
Infradźwiękami (poddźwiękami) nazywamy fale mechaniczne o częstotliwości mniejszej od 16 Hz. Ich źródłem są wszystkie ciała drgające z częstotliwością od 1 Hz do 16 Hz. Przykładem jest sprężysta blaszka lub drgający pręt anteny samochodowej.
Naturalne źródła infradźwięków.
Emisja fal infradźwiękowych o dużym natężeniu towarzyszy takim zjawiskom, jak trzęsienia ziemi, erupcja wulkanów, zorze polarne, fale oceaniczne, huraganowy wiatr, czy opadanie mas wody z dużych wodospadów.
Najpotężniejsza erupcja wulkanu w czasach historycznych (w 1883 r.) to wybuch wulkanu na wyspie Krakatau, położonej między wyspami Sumatra i Jawa. Oprócz infradźwięków był emitowany także dźwięk słyszalny, a w odległości 160 km od centrum wybuchu poziom natężenia dźwięku wynosił 180 decybeli. Odgłos wybuchu był słyszalny z odległości ponad 4000 km.
Sztuczne źródła infradźwięków wytworzone przez człowieka.
Ze zjawiskiem infradźwięków można spotkać się też w niektórych dużych biurowcach i innych budowlach przemysłowych. Ich źródłem są maszyny i urządzenia, a swoistymi wzmacniaczami przewody wentylacyjne i klimatyzacyjne.
Emisja infradźwięków towarzyszy drganiom mostów, pracy elektrowni wiatrowych, pracy silników odrzutowych, eksplozjom.
Właściwości infradźwięków.
Infradźwięki bardzo dobrze rozchodzą się w powietrzu, i to na duże odległości, bez wielkich zmian ich natężenia. Ich prędkość jest taka sama jak fal dźwiękowych. Niestety, nie tłumią ich (lub tłumią słabo) ekrany akustyczne, a ich obecność w naszym otoczeniu nazywa się hałasem niskoczęstotliwościowym lub niskotonowym.
Ludzie nie słyszą infradźwięków, ale je odczuwają. Ich działanie na organizm jest nieprzyjemne, a przy dużych natężeniach wręcz niebezpieczne. Wywołują uczucie lęku i niepokoju, mdłości, bóle głowy, zaburzają zmysł równowagi. Ze względu na niemożność budowania osłon przed ich działaniem, wzbudzają zainteresowanie techników wojskowych (broń akustyczna), a badania nad ich właściwościami są często utajnione.
Infradźwięki są słyszalne przez niektóre zwierzęta, które porozumiewają się za ich pośrednictwem, i to na duże odległości. Do takich zwierząt należą między innymi żyrafy, słonie czy wieloryby.
2. Ultradźwięki
Ultradźwięki (inaczej naddźwięki) – fale mechaniczne o częstotliwości większej od 20 tysięcy herców. Ich źródłem są ciała drgające z częstotliwościami z zakresu od 20 kHz do 1 GHz. Mogą to być odpowiednie krótkie struny, pręty czy piszczałki.
Naturalne źródła ultradźwięków.
Ultradźwięki są wytwarzane i rejestrowane przez niektóre zwierzęta. Najbardziej znane to nietoperze i delfiny. Wykorzystują one te fale do echolokacji: wysyłają serię impulsów ultradźwiękowych w kierunku przeszkody i rejestrują fale odbite. Na tej podstawie mogą ocenić odległość do przeszkody, jej kształt i wielkość. Detektor ultradźwięków pełni u tych zwierząt rolę dodatkowego zmysłu, dzięki któremu mogą one nawet „zobaczyć”, w którą stronę i jak szybko się porusza się ich zdobycz.
Źródła ultradźwięków wytworzone przez człowieka.
Aby wytworzyć ultradźwięki, należy mały przedmiot wprawić w drgania o bardzo dużej częstotliwości. Główna różnica w budowie głowic ultradźwiękowych polega na sposobie pobudzania do drgań odpowiednich małych blaszek, prętów lub kryształów. Można to robić mechanicznie, za pomocą zmiennego napięcia elektrycznego (odwrócony efekt piezoelektryczny), zmiennego pola magnetycznego (magnetostrykcja) lub światła laserowego (metoda optyczna).
Właściwości ultradźwięków.
Ze względu na małą długość fali ultradźwięki są szybko tłumione w powietrzu, natomiast bardzo dobrze rozchodzą się w wodzie. Silnie odbijają się na granicy dwóch ośrodków. Dają się łatwo i precyzyjnie ogniskować (skupiać), tworząc cienką wiązkę (promień). Ultradźwięki o dużym natężeniu mogą niszczyć lub nagrzewać przedmioty, przez które są pochłaniane.
Zastosowanie ultradźwięków.
Ultradźwięki znalazły liczne zastosowania w różnych dziedzinach życia:
w diagnostyce medycznej – w ultrasonografach;
R1J0oM6p1A0fV1 
Źródło: DuBose (https://commons.wikimedia.org), Moroder (https://commons.wikimedia.org), Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.w rehabilitacji medycznej (fizykoterapia);
RemjP1O5smutP 
Fizykoterapia.Źródło: Bruno / Pixabay, Licencja niewyłączna.w kosmetologii;
ROyWYMnBLAELO 
U kosmetyczkiŹródło: © Valerii_Honcharuk / Photogenica, Licencja niewyłączna.w technice (np. w myjce ultradźwiękowej).
R28ZJgAIuoo9v1 
Źródło: Emmanuel Gilloz (https://www.flickr.com), Hans (https://pixabay.com), licencja: CC BY-SA 2.0.
Najbardziej znanym przykładem zastosowania ultradźwięków w medycynie jest ultrasonografia (USG). Jak wspomnieliśmy, fala ulega odbiciu na granicy dwóch ośrodków. Ośrodki te różnią się gęstością i prędkością rozchodzenia się dźwięków. Ponieważ różne organy w ciele człowieka mają różne wartości prędkości i gęstości, to fala ultradźwiękowa odbija się częściowo od granicy ośrodków i jest rejestrowana przez sondę. Fala przenika dalej w głąb danego organu i ulega znowu częściowemu odbiciu od następnej granicy. Kolejne odbite impulsy są rejestrowane i dają obraz wewnętrznej budowy ciała człowieka. Wiele osób zastanawia się, czemu służy żel, którym smaruje się powierzchnię skóry przed badaniem USG. Powodem tego jest to, że w powietrzu fala rozchodzi się z zupełnie inną prędkością niż w skórze i ulegałaby bardzo silnemu odbiciu od powierzchni skóry. Żel ma prędkość rozchodzenia się dźwięków zbliżoną do prędkości w skórze, odbicie jest znikome i fala może wejść w głąb organizmu. Warto podkreślić, że częstotliwość drgań podczas przechodzenia przez różne ośrodki nie zmienia się. Zmienia się natomiast długość fali związana z wartością prędkości, z jaką fala się rozchodzi w danym środowisku.
Podsumowanie
Infradźwiękami nazywamy fale mechaniczne o częstotliwości mniejszej od 16 Hz.
Źródłem infradźwięków w naturze są: grzmoty, trzęsienia ziemi, erupcje wulkanów, wodospady, wiatr, zorze polarne.
W budynkach infradźwięki mogą powstawać w przewodach wentylacyjnych oraz w wyniku drgań różnych maszyn i urządzeń biurowych.
Infradźwięki mają niekorzystny wpływ na organizm człowieka.
Ultradźwięki to fale mechaniczne o częstotliwości większej niż 20 kHz.
Ultradźwięki są wytwarzane i rejestrowane przez niektóre zwierzęta.
Ultradźwięki sztucznie wytworzone w generatorach ultradźwiękowych znalazły liczne zastosowania w diagnostyce medycznej (USG), fizykoterapii, w technice (sonary) i nauce.
Infradźwięki i ultradźwięki nie są rejestrowane przez ludzkie ucho, ale mogą być rejestrowane przez niektóre zwierzęta.
Wyszukaj i opisz trzy zastosowania ultradźwięków, o których nie napisano w tym rozdziale.
Wymień co najmniej trzy źródła infradźwięków, o których nie napisano w tym rozdziale.
Podczas przechodzenia fali przez różne ośrodki częstotliwość dźwięku nie zmienia się. Dlaczego tak się dzieje? Zastanów się, dlaczego fala rozchodzi się w następnym ośrodku po dotarciu do niego fali z pierwszego ośrodka, i uzasadnij, dlaczego częstotliwość nie ulega zmianie przy zmianie ośrodka. Jak zmieni się prędkość fali po przejściu do drugiego ośrodka? Od czego zależy to, czy wzrośnie czy zmaleje?
Zadania podsumowujące rozdział
Z trzech sygnałów akustycznych o różnych częstotliwościach wskaż, który jest infradźwiękiem, ultradźwiękiem, a który dźwiękiem słyszalnym.
Sygnał I – 3kHz, sygnał II – 3MHz, sygnał III – 3Hz
- infradźwięk – sygnał III
- ultradźwięk – sygnał II
- dźwięk słyszalny – sygnał I
- infradźwięk – sygnał I
- dźwięk słyszalny – sygnał III
- infradźwięk – sygnał II
- ultradźwięk – sygnał III
- dźwięk słyszalny – sygnał II
Które z poniższych twierdzeń jest prawdziwe, a które fałszywe?
| Prawda | Fałsz | |
| Ultradźwięki mają częstotliwość mniejszą niż dźwięki słyszalne. | □ | □ |
| Infradźwięki mają częstotliwość mniejszą niż dźwięki słyszalne. | □ | □ |
| Ultradźwięki mają zastosowanie w echolokacji | □ | □ |
| Infradźwięki mają zastosowanie w echolokacji. | □ | □ |
| Niektóre zwierzęta wysyłają i rejestrują dźwięki niesłyszalne dla człowieka. | □ | □ |
| Niektórzy ludzie mogą słyszeć ultradźwięki. | □ | □ |
| Infradźwięki nie występują w przyrodzie, zostały wytworzone przez człowieka. | □ | □ |