Ultradźwięki i infradźwięki

R3Z76ytyyTMVJ

Zdjęcie przedstawia małego nietoperza uczepionego pazurkami kory drzewa i spoglądającego w kierunku fotografa. Uszy nieproporcjonalnie duże w stosunku do reszty głowy, skrzydła złożone, lecz rozciągnięte na boki. Ciało pokryte futrem. Dolną część zdjęcia zajmuje pień drzewa ukazany w poziomie. Zdjęcie po wykonaniu zostało na potrzeby prezentacji obrócone o 90 stopnia tak, że nietoperz wydaje się leżeć na podłożu, podczas gdy w rzeczywistości jest do niego uczepiony.

Infradźwięki

Infradźwiękami (poddźwiękami) nazywamy fale mechaniczne o częstotliwości mniejszej od $20 \mathrm{Hz}$. Ich źródłem są wszystkie ciała drgające z częstotliwością od $1 \mathrm{Hz}$ do $20 \mathrm{Hz}$. 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.

R9dUGLPmR7bvQ

Na zdjęciu przedstawiona została zorza polarna, oświetlająca nocne niebo na zielono. Wygląda ona jak pionowe pręgi wysoko ponad chmurami.

R1NhPTFiTu1XG

Na zdjęciu przedstawiony został wodospad Wodogrzmoty Mickiewicza. Widać burzliwą wodę przelewającą się między skałami.

R1Xc1O3uZO5Uo

Na zdjęciu przedstawiona została erupcja wulkanu. Na pierwszym planie woda, dalej wzniesienia. Z jednego z nich ku górze unosi się gęsty dym.

Najpotężniejsza erupcja wulkanu w czasach historycznych (w $\text{1883}$) to wybuch wulkanu na wyspie Krakatau, położonej między wyspami Sumatra i Jawa. Oprócz infradźwięków był emitowany także dźwięk słyszalny, a w odległości $160 \mathrm{km}$ od centrum wybuchu poziom natężenia dźwięku wynosił $180$ decybeli. Odgłos wybuchu był słyszalny z odległości ponad $4000 \mathrm{km}$.

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.

R1GSkaZ8Zu7wB

Na zdjęciu przedstawione zostały słonie idące obok wodopoju.

RajuPZ4ki4QX7

Na zdjęciu przedstawiony został wieloryb wyskakujący ponad powierzchnię wody.

Ultradźwięki

Ultradźwięki (inaczej naddźwięki) – fale mechaniczne o częstotliwości większej od $20$ tysięcy herców. Ich źródłem są ciała drgające z częstotliwościami z zakresu od $20 \mathrm{Hz}$ do $1 \mathrm{GHz}$. 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 piezoelektrycznyodwrócony efekt piezoelektrycznyodwrócony efekt piezoelektryczny), zmiennego pola magnetycznego (magnetostrykcjamagnetostrykcjamagnetostrykcja) 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;

  R1aHYQFq2UJAB

  Przedstawione zostały dwa zdjęcia obrazów USG. Są one biało‑czarne i rozmazane, jednak zarys dziecka w macicy jest widoczny.

  

• w rehabilitacji medycznej (fizykoterapia);

  RX106riMeA7Lg

  Na zdjęciu uwieczniono zabieg w gabinecie fizykoterapii. W centralnej części znajduje się łokieć pokryty żelem, którego dotyka głowica urządzenia emitującego ultradźwięki. Widoczna jest również ręką osoby wykonującej zabieg.

  

• w kosmetologii;

  ROfk9KHvZSJNU

  Na zdjęciu przedstawiona została kobieta na wizycie u kosmetyczki, podczas zabiegu peelingu kawitacyjnego, wykorzystującego ultradźwięki.

  

• w technice (np. w myjce ultradźwiękowej).

  RytS779SAjrmr

  Na fotografiach przedstawiona zostały myjki ultradźwiękowe. Mają one formę otwartego pojemnika, w którym można czyścić na przykład okulary.

  

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 $20 \mathrm{Hz}$.

• 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 $20 \mathrm{kHz}$.

• 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.

Słownik

Zadania podsumowujące rozdział