Ultra i infradźwięki

Periodyczne drgania cząsteczek materialnych otaczającego środowiska tworzą zespół zjawisk akustycznych. Fala akustyczna wiąże się z ruchem cząsteczek ośrodka. W określonej jednostce czasu dochodzić więc będzie do powtarzania tej samej fazy ruchu. Powtarzalność tą wyrażamy liczbą cykli drgań zachodzących w ciągu sekundy i stanowi ona najogólniej mówiąc częstotliwość (f, ν) drgań, której jednostką jest herc (Hz).

Zakres częstotliwości spotykanych zjawisk akustycznych jest zwykle szeroki, sięga bowiem od wartości ułamkowych do 10-----10 drgań na sekundę. Przyjmowany obecnie podział fal akustycznych obejmuje:

Infradźwięki - Poniżej 16Hz
Dźwięki słyszalne - Od 16 Hz do 16kHz
Ultradźwięki - Od 16 kHz do 10 GHz
Hyperdźwięki - Powyżej 10 GHz

Omawiane jednak będą tylko ultradźwięki i infradźwięki. Jednak drgania wszystkich wymienionych grup podlegają tym samym prawom akustyki. Dlatego należy wspomnieć o innych cechach charakterystycznych a mianowicie o prędkości i długości fali. Wspominając o pojawieniu się zagęszczeń i rozszerzeń ośrodka możemy stwierdzić nie tylko ich okresowość lecz również uwidocznić ich położenie.

Odległość dwóch najbliższych sobie drgających cząsteczek znajdujących się w tej samej fazie wychylenia odpowiada długości fali akustycznej.

Zaburzenie w określonym ośrodku materialnym spowodowane ruchem drgającym cząsteczek przenosi się po liniach prostych z jednostajną linią (v), zależną od takich właściwości danego ośrodka jak sprężystość i gęstość. Prędkość ta nie zależy natomiast od częstotliwości drgań. Toteż w różnych ośrodkach kształtuje się ona w następujący sposób:

W tkankach miękkich człowieka jest ona zbliżona swą wielkości do prędkości w wodzie, w kościach zaś jest znacznie większa.

Ponieważ między częstotliwością drgań (f), prędkością rozchodzenia się fali (v) oraz długością (λ) istnieje powiązanie wyrażone wzorem:
v
λ= ----
f
to można ogólnie przyjąć, że długość fali jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości drgania akustycznego. Skąd długość fali infradźwiękowej będzie sięgała dziesiątek i setek metrów, w zależności od rodzaju i stanu ośrodka. Natomiast fala ultradźwiękowa w tych warunkach ma długość wyrażoną w milimetrach. Częstotliwość drgań i odpowiadające im długości przedstawiono poniżej.

W innych ośrodkach niż powietrze długości fali będą się przedstawiały następująco:
- Przy rozchodzeniu się infradźwięków o f=2Hz w wodzie długość fali wynosi 470m, zaś ultradźwięków f=20kHz – 74mm, a przy f=2MHz, tylko 0,74mm;
- Przy rozchodzeniu się w szkle infradźwięków o częstotliwości o częstotliwości f=2Hz λ wynosi 2595m, przy f= 20kHz równa się 259cm, a przy f= 2MHz, długość fali osiąga wartość 2,59mm.

Natężenie

Rozprzestrzenianiu się drgań akustycznych towarzyszy przenoszenie odpowiedniej dawki energii akustycznej wzdłuż rozchodzenia się fali, poczynając od źródła drgań. Cząstki ośrodka drgającego znajdują się w ruchu, przekazując sobie wzajemnie energie. I tak np.: płytka kwarcowa drgając w wodzie przekazuje swe drgania drobinom wody przylegającym do jej powierzchni. Te cząsteczki z kolei przekazują energię następnym warstwom itd. Dochodzi wówczas do przekazywania energii w kierunku rozprzestrzeniania się fali do czasu napotkania przeszkody o innym stanie skupienia. Wartości przekazywanej energii odpowiada w akustyce natężenie dźwięku. Określając bliżej chodzi o przekazanie dawki energii na powierzchnie ośrodka znajdującego się w prostopadłym położeniu do kierunku rozchodzenia się fali akustycznej. Jest to równoznaczne stosunkowi mocy do powierzchni, a wartość natężenia wyraża się w W/cm2.

Dla ucha ludzkiego rozpiętość natężeń odbieranych jako wrażenie dźwiękowe jest niezwykle duża, waha się bowiem od wartości progowej do wartości wywołującej uczucie bólu przy stosunku natężeń = 1013.

Wartość progowa natężenia dźwięku o częstotliwości 1000Hz, która staje się słyszalna dla człowieka, wyraża się wielkością 10-16 W/cm2, zaś wartość odpowiadająca pojawieniu się uczucia bólu - 10-3 W/cm2. Operowanie jednak tymi wielkościami dla celów pomiarowych jest jednak dosyć kłopotliwe, z tego względu powszechnie została przyjęta logarytmiczna skala decybelowa (dB). Według niej wartości progowej dla ucha ludzkiego odpowiada 10dB, wartości bólowej zaś 130dB. Wprawdzie najpowszechniej stykamy się z skalą decybelową do opisu poziomu natężenia wrażeń słuchowych wywołanych audioakustycznym zakresem drgań, to jednak w przypadku zakresu infra- lub ultradźwiękowego używa się tej skali też do wyrażania poziomu ich natężenia. Należy podkreślić, że w wielu przypadkach drgań pozasłuchowych istnieje wyraźne przekroczenie wartości 120dB. Dotyczy to jednak nie naturalnych źródeł lecz przede wszystkim urządzeń umyślnie wytwarzających te drgania.

Przy analizie ultradźwięków miarodajną wielkością określającą wywołany efekt jest natężenie, a nie całkowita moc akustyczna źródła. Wiemy, że wartością natężenia dźwięku wywołującego uczucie bólu jest natężenie równe 10-3 W/cm2, a więc w paśmie ultradźwięków o wysokiej częstotliwości mogą być wytworzone natężenia dochodzące nawet do 1000W/cm2. Wprawdzie w technice ultradźwiękowej najczęściej stosowane są natężenia osiągające wartość od ułamków do kilku W/cm2, to ostatnio uczonym rosyjskim udało się otrzymać w laboratorium, przy odpowiedniej koncentracji fali natężenie rzędu 50000 W/cm2.

W wykorzystaniu ultradźwięków stosuje się wg. propozycji Romińskiego podział na trzy zakresy, a mianowicie:
- Drgania ultradźwiękowe o niskim natężeniu – do 1 W/cm2
- Drgania ultradźwiękowe o średnim natężeniu – do 10 W/cm2
- Drgania ultradźwiękowe o dużym natężeniu – od 10W/cm2.
Aby zobrazować występujące natężenia ultradźwięków można przytoczyć dla porównania, że natężenie akustyczne odbierane z odległości 10m od strzelającego działa artyleryjskiego wynosi
zaledwie 3,2·10-3 W/cm2.

Rozprzestrzenianie się ultradźwięków

Rozchodzenie się fal dźwiękowych podlega podobnym prawom jak rozchodzenie się na.: fal świetlnych. W tej sytuacji może dochodzić do częściowego lub całkowitego odbicia oraz przenikania przez granice ośrodków. Przeszkody napotykane na drodze rozprzestrzeniania się dźwięku mogą doprowadzić do uginania się, czyli jakby opływania przeszkody. Stopień uginania się biegnącej fali akustycznej zależy od długości tej fali i wielkości przedmiotu stanowiącego przeszkodę.

W przypadku rozchodzenia się fali ugięcie nastąpi wówczas, kiedy stosunek h:λ<1 (h – odpowiada wymiarowi podłużnemu przeszkody, a λ – długości fali). W miarę wzrastania wielkości przeszkody lub zmniejszania długości fali, zjawisko uginania fali słabnie. Nie istnieje ono w przypadku natrafienia na przedmioty znacznie większe w porównaniu z długością rozchodzącej się fali. W tej sytuacji poza daną przeszkodą powstanie cień akustyczny, w którym to obszarze poziom ciśnienia akustycznego jest znacznie słabszy.

Istnieje znaczna różnica zachowania się fali infra- i ultradźwiękowej przy napotkaniu przeszkody. Fala infradźwiękowa charakteryzuje się znaczną długością, a więc może podlegać ugięciu napotykając stosunkowo nawet duże przedmioty i w tej sytuacji trudno jest stwierdzić zjawisko cienia. W miarę wzrostu częstotliwości drgań, kiedy długość fali maleje (co dotyczy szczególnie obszaru ultradźwiękowego) uginanie się staje się coraz mniejsze. O ile jeszcze w zakresie niższych częstotliwości fal ultradźwiękowych występuje jeszcze zjawisko ugięcia, to w przypadku wyższych częstotliwości rozchodzenie się tych fal występuje prawie prostoliniowo, co pozwala na ich skupienie lub rozpraszanie za pomocą soczewek, czy też zwierciadeł akustycznych. Takie zachowanie ultradźwięków o bardzo krótkiej fali pozwala na ich stosowanie podobnie jak innego rodzaju promieniowania, np.: do badania struktury czy techniki sygnalizacyjnej.
Drugim zjawiskiem jest załamywanie się fali, związane z przejściem granicy dwóch ośrodków, np.: powietrza i wody. Jest ono związane z różnymi prędkościami rozchodzenia się drgań i oporów w różnych ośrodkach. Od różnicy prędkości fali w obu ośrodkach zależy wielkość współczynnika załamania. W przypadku zbyt dużego kąta padania drgania akustyczne ulegną całkowitemu odbiciu. Zwykle jednaj na granicy dwóch ośrodków fala ulega załamaniu i częściowemu odbiciu. Oznacza to, że jednocześnie powstaje fala załamana i odbita, zaś natężenie początkowe zostaje rozdzielone między dwie fale. Ilość energii przekazywanej do ośrodka jest uzależniona od oporu akustycznego. Wiadomo, że każdemu przepływowi towarzyszy pewna wielkość oporu. W tym wypadku opór akustyczny, ujmowany także jako impedancja akustyczna jest iloczynem prędkości (v) fali w danym ośrodku i gęstości (d, ρ):
z = v · d

Przy stosunkowo niewielkiej różnicy oporów, jak to mam miejsce w tkankach ciała, część fal zawsze ulega odbiciu, część zaś załamaniu i przeniknięciu do drugiego ośrodka, gdzie podąża już z inną prędkością. Opór akustyczny ciał stałych i cieczy jest wielokrotnie większy niż gazów, co powoduje, że ilość przenoszonej energii z powietrza do płynu stanowi niewielki ułamek.

Przyczyną tego zjawiska jest:
1. Pokonywanie sił bezwładności cząstek wprawianych w ruch drgający
2. Pokonywanie sił tarcia ośrodka
3. Interferencja fal oraz szereg innych mniej istotnych zjawisk

Drgania ośrodka mogą się utrzymywać tylko w przypadku stałego dostarczania energii, straty bowiem wynikają z kilku przyczyn. Powstające w wyniku drgań zagęszczenia materiału powodują jego miejscowe nagrzewanie i wtórne rozpraszanie ciepła poprzez jego przewodnictwo cieplne. Drugą istotną przyczyną jest lepkość materiału czyli tarcie wewnętrzne. W przypadkach dużych częstotliwości drgań największe straty wiążą się z niejednorodnością materiału. Na granicach tych niejednorodności powstają straty cieple, dodatkowo zaś energia ultradźwiękowa ulega rozproszeniu> pochłanianie to w największym stopniu występuje w gazach, a więc w powietrzu. Słabiej jest zaznaczone to w ciałach stałych i cieczach. Poniższa tabela przedstawia wartości pochłaniania połowicznego (tj. wielkości warstwy ośrodka odpowiadającej zmniejszeniu natężenia drgań ultradźwiękowych do połowy) w powietrzu i wodzie dla różnych częstotliwości drgań. Z tabeli wynika, że pochłanianie ultradźwięków w powietrzu jest 2000 razy większe niż w wodzie.

Także, im wyższe są częstotliwości drgania akustycznego tym większa jest absorpcja. Dlatego w powietrzu ultradźwięki o wysokiej częstotliwości będą traciły wiele energii wytwarzając ciepło. Natomiast fale o małej częstotliwości, np.: infradźwiękowe, praktycznie nie będą pochłaniane.

Kawitacja

Interesującym zjawiskiem występującym w cieczach pod wpływem fali ultradźwiękowej jest kawitacja. Aczkolwiek zjawisko to było obserwowane już od dawna, to wyjaśnienie jego istoty nie jest dotąd pełne. W silnym polu ultradźwiękowym w płynach występuje zjawisko kawitacji polegające na polegające na powstawaniu we wnętrzu cieczy nieciągłości w postaci jam wypełnionych rozrzedzonym gazem i kolejnym ich zapadaniu się.

Powstanie nieciągłości wymaga rozerwania cieczy siłami działającymi w przeciwnych kierunkach (tzw. ciśnienie ujemne). Rozrywanie to jest ułatwione ze względu na fakt, że płyn nie jest ośrodkiem idealnie jednorodnym lecz zawiera większe lub mniejsze ilości rozpuszczonego gazu. Gaz ten może stać się ośrodkami miejscowego osłabienia spoistości cieczy. Istniejące pęcherzyki gazu wywierają na drobiny płynu nacisk związany z ciśnieniem istniejącym w pęcherzyku. Ponadto siły rozrywające w odpowiednich warunkach są na tyle duże, że mogą przezwyciężyć siły spójności. Wówczas powstają nawet tzw. pęcherzyki próżniowe, wypełniające się parami cieczy. W przypadkach obecności pęcherzyków gazu siły wywierane na ciecz są mniejsze lecz i tak (jak podaje następna tabela)wartości te wynoszą od kilku do kilkunastu atmosfer.

Minimalna wartość natężenia ultradźwięku, powyżej której pojawia się kawitacja, nazywana jest progiem tego zjawiska. Poziom progu kawitacji zależy w dużej mierze od stopnia obecności gazów jak też od częstotliwości działającego bodźca.

Zastosowanie ultradźwięków w technice

Możliwość biernego zastosowania wiąże się przede wszystkim z opanowaniem techniki emitowania drgań ultradźwiękowych o znacznej częstotliwości (1-5MHz) w środowisku stałym albo płynnym.

Nawigacja

Jednym z wczesnych zastosowań było wykrywanie przeszkód znajdujących się w wodzie. Stąd w nawigacji morskiej echosondy ultradźwiękowe służą przede wszystkim do określania położenia dna morskiego, podając informacje o usytuowaniu dna pod statkiem. Analiza echa służy także do wykrywania ławic ryb oraz przeszkód jak wraki czy góry lodowe. W ten sposób zostało zrealizowane pierwotne założenie wykorzystania ultradźwięków, jakim poświęcił wiele lat pracy Langevin. Ze względu na niewielkie praktycznie pomijane uginanie się fali ultradźwiękowej w wodzie różnego rodzaju echosondy bardzo rozpowszechniły się w żegludze i jest to jeden z nieodzownych instrumentów.

Defektoskopia

W warunkach przemysłowych defektoskopia stanowi ważne uzupełnienie techniki rentgenowskiej badania struktury materiałów, w wielu przypadkach nawet ją przewyższając. W przedmiotach o dużym przekroju promienie Roentgena są silnie pochłaniane dając niewyraźny obraz szczelin i jam jako wad produktu, zjawisko takie nie ma miejsca w przypadku drgań ultradźwiękowych. Ultradźwiękowe badanie materiałów jest prowadzone dwoma metodami: przepuszczania i echa.

Metoda przepuszczania należy do wcześniej stosowanych, a dziś o znacznie mniejszym zastosowaniu. Pozostaje jednak nadal przydatna do badania cienkich elementów. W tych bowiem przypadkach metoda echa bywa zawodna. W metodzie przepuszczania stosuje się oddzielnie czujniki do wysyłania a następnie odbierania sygnału po przejściu ultradźwięku przez strukturę. Przenikalność materiału jest mniejsza w miejscu zawierającym wadę materiałową. Pomiar taki można przeprowadzić z wielką dokładnością, wykrywając zmiany różniące się o jeden procent od struktury prawidłowej. Urządzenia pracują zwykle przy częstotliwościach od 0,9 do 2,1 MHz, a zautomatyzowanie tego procesu bardzo upraszcza kontrolę.

Metoda echa jest rozpowszechniona w większym stopniu i wyparła w wielu dziedzinach inne sposoby. Wysyłane przez defektoskop impulsy są odbierane po odbiciu od granicy ośrodka i mogą być odróżniane w funkcji czasu przy wielokrotnym odbiciu od kilku warstw. Na ekranie defektoskopu można analizować odbicia pochodzące od wad znajdujących się w materiale. Ultradźwięki wykorzystywane w tych badaniach mają częstotliwość 2 – 4 MHz i więcej. Jak wspomniano wcześniej, są one tłumione przez środowisko powietrzne. Nawet przyłożenie czujnika bezpośrednio do badanej powierzchni nie zapobiega temu tłumieniu, jak się bowiem okazało, dopiero nacisk rzędu kilkuset kG w miejscu przykładania czujnika może spowodować wyeliminowanie tej przeszkody. Dlatego jako środek stosuje się roztwory olejowe o lepkości odpowiedniej dla danego procesu.

W hutnictwie metoda echa wymaga nieco niższych częstotliwości – około 500 – 700 kHz. Albowiem fale o częstotliwości drgań wyższej są pochłaniane przez sam materiał badany. Jest to jednak metoda tańsza i bezpieczniejsza do promieni Roentgena. Metoda ta jest również stosowana do kontroli elementów betonowych.

Metoda echa oddaje też liczne usługi w medycynie (np.: echo serca, ultrasonograf, etc.). Coraz częściej jednak ultradźwięki są również stosowane w przemyśle spożywczym, celem kontroli stanu mrożonek, szczególnie ryb i mięsa. Jest to dogodna metoda sprawdzania w jakim tempie produkty były mrożone oraz czy nie uległy one rozmrożeniu i ponownemu zamrożeniu. W takim wypadku artykuły rozmrożone będą miały szerszą amplitudę i więcej załamków w porównaniu do tkanki świeżej. Rozchodzenie ultradźwięków jest uzależnione od własności fizycznych i struktury tkanki.
Zgrzewanie. Istotną cechą wyróżniającą ten proces jest możliwość uzyskania połączeń w trudnodostępnych miejscach bez uprzedniego oczyszczenia oraz fakt, iż nie wymaga ona czynności wykańczających. Szybkość i prostota procesu wpływają na jego ekonomiczność. Zgrzewanie tworzyw sztucznych i metali polega na wytwarzaniu ciepła tarcia w następstwie punktowego drgania o dużej częstotliwości warstw, które mają być połączone. Ciepło czyni materiały plastycznymi, łącząc je w ten sposób w jednorodny materiał w czasie ułamków sekundy. Warunkiem zajścia zjawiska jest zbliżona temperatura topnienia wszystkich materiałów. Proces ten polega na nacisku głowicy ultradźwiękowej w miejscu łączenia materiału. Jednocześnie w tych warunkach częstotliwość 20-24kHz przy amplitudzie kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów wywołuje miejscowe drgania przyczyniając się do wzrostu temperatury, uplastycznienia i połączenia. W ten sposób można łączyć materiały o różnych grubościach ale zbliżonych temperaturach topnienia. Tą metodą można scalić np.: glin (aluminium) ze szkłem, a więc materiały o różnych właściwościach fizykochemicznych.

Coraz bardziej popularna staje się ostatnio również ultradźwiękowa obróbka metali, materiałów twardych i kruchych oraz o złym przewodnictwie elektrycznym (diamenty, węgliki, lane magnesy, szkło). Przy drążeniu wprowadza się w przestrzeń między narzędziem wycinającym a przedmiotem proszki ścierne, które pod wpływem drgań ultradźwiękowych i nacisku kształtują odpowiednie wgłębienia. W przeciwieństwie do tradycyjnej metody wydziela się tutaj mało ciepła, co nie powoduje zmian powierzchniowych. Szybkość ścierania zależy od tworzywa, gdyż najszybszemu ścieraniu ulegają materiały twarde i kruche. Liniowa zaś prędkość drążenia zależy od rodzaju obrabianego materiału, częstotliwości i amplitudy drgań, wielkości i rodzaju proszku szlifierskiego. Najlepsze wyniki drążenia uzyskuje się przy małych częstotliwościach, toteż stosuje się drgania o częstotliwości od 16 do 24 kHz.

Emulgowanie

Jest to przykład efektywnego wpływu ultradźwięków, sprowadzający się do emulgowania cieczy, dyspergowania ciał stałych, rozdrabniania ziaren zawiesin. W niektórych przypadkach metody ultraakustyczne są jedynymi (np.: tworzenie emulsji rtęci w wodzie), które można wykorzystać do tych celów. Głównym czynnikiem powodującym emulgowanie jest zjawisko kawitacji., a tworzenie się emulsji odbywa się na granicy faz. Z tego względu wstępne wymieszanie składników przyspiesza ten proces. Przykładowo mleko poddane działaniu ultradźwięków jest łatwiej przyswajalne i wolniej się psuje.

Odpylanie

O ile emulgowanie jest procesem wykorzystującym zjawisko dyspersji, o tyle przeciwnym procesem jest koagulacja, służąca tworzeniu się skupisk cząsteczek. Zjawisko łączenia się cząsteczek w węzłach fali stojącej początkowo obserwowano w zakresie drgań ultradźwiękowych lecz obecnie proces ten jest znacznie wydajniejszy w przypadku stosowania drgań słyszalnych (4-6 kHz). Efektywność procesu zależy wyłącznie od natężenia działającego bodźca, którego wartości w tych przypadkach sięgają 170dB (10W/cm2). Toteż wprowadza się syreny akustyczne jako urządzenia najwydajniejsze w tym procesie. Ponadto prowadzi się próby koagulacji różnych zawiesin w cieczach, służących do rozdzielania różnych mieszanin, oczyszczania wód opadowych itp.
Ultradźwiękowy system zdalnego sterowania można wykorzystać np. do otwierania i zamykania drzwi garażowych. Polega on na emisji fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości, które następnie odbierane są przez mikrofon. Ten z kolei wysyła impuls do silnika poruszającego drzwi. System zdalnego sterowania oparty na ultradźwiękach oparty na ultradźwiękach jest skuteczny jedynie w linii prostej od drzwi, dlatego coraz częściej używa się systemów radiowych.

Również w systemach alarmowych wykorzystywane są fale niesłyszalne dla ucha ludzkiego. Detektory te, poprzez przetwornik wysyłają fale o określonej częstotliwości, które odbijają się od przedmiotów umieszczonych w pomieszczeniu i powracają do przetwornika. Ruch, powoduje zmianę częstotliwości fali (efekt Dopplera). Sygnał o zmianie częstotliwości przekazywany jest do układu scalonego, który ocenia prędkość oraz wymiary poruszającego się „intruza”. Wszystko, co rozmiarami przypomina człowieka, włącza alarm.

Zastosowanie ultradźwięków w medycynie

Można wprowadzić niejaki podział fal wysokich częstotliwości (0,8 – 30 MHz), ze względu na ich zastosowanie. Dzielą się one na formę bierną (diagnostyka) i czynna (leczenie schorzeń).
Czynne zastosowanie ultradźwięków, od czasów pionierskich badań Pohlmana (1935r.) zostało wprowadzone do wielu specjalności lekarskich jako energia mająca wpływ na przebieg wielu schorzeń. Ustalono listę kilkudziesięciu jednostek chorobowych, w przebiegu których wskazane jest korzystanie z energii ultradźwiękowej. Nie należy jednak zapominać, że równocześnie nagromadziło się też wiele spostrzeżeń negatywnego wpływu ultradźwięków na procesy wewnątrzustrojowe. Doprowadziło to w konsekwencji do opracowania przeciwwskazań, których pominąć nie sposób. Zastosowanie ultradźwięków ogranicza się jednak niemal do działania przeciwbólowego i przeciwzapalnego, gdyż odkryto wielki ich wpływ na układ nerwowy.
Najchętniej stosuje się terapię ultradźwiękową w przypadkach porażeń nerwów obwodowych z zaburzeniami czucia, zapalenia nerwu kulszowego i trójdzielnego a także przy różnego rodzaju nerwobólach. Z tego względu ultradźwięki to chętnie widziana forma leczenia w neurologii. Oprócz tego wiele schorzeń stawów, a także narządów wewnętrznych i skóry dobrze poddaje się terapii ultradźwiękami o wysokich częstotliwościach. Co ciekawe, fale te są też wykorzystywane do inhalacji, celem uzyskania odpowiedniej konsystencji aerozolu z cząsteczkami o małej średnicy, co dotąd było niezwykle trudne. Zaletą tego typu inhalacji jest wyeliminowanie nadciśnienia oddechowego oraz osiągnięcie odpowiednio dużego stężenia, co znacznie skraca okres zabiegu.
Warto zwrócić też uwagę, iż ultradźwiękami można oczyszczać narzędzia chirurgiczne, co jest stanowczo dokładniejsze od tradycyjnego mycia; a nawet je sterylizować. Niemniej jednak dla bezpieczeństwa pomimo mycia ultradźwiękowego, stosuje się dodatkowo tradycyjne metody sterylizacji. W bardzo podobny sposób usuwane są z różnych przedmiotów skażenia radioaktywne, pozostające na sprzęcie laboratoryjnym.

Czynne zastosowanie ultradźwięków znalazło także zastosowanie w technice przygotowywania preparatów histologicznych. Doskonałe rozdrobnienie roztworów impregnujących lub barwiących oraz działanie energii akustycznej pozwala na otrzymanie lepszej jakości i większej wyrazistości preparatów.

Zastosowanie bierne. Technika ta (ultrasonografia – USG) pod kilkoma zasadniczymi względami ma przewagę nad badaniami promieniami rentgenowskimi, dostarczając informacji w tych sytuacjach kiedy rentgenogram (RTG) zawodzi ze względu na zbyt małą kontrastowość między granicą interesującej nas tkanki a otoczeniem.

Budowa urządzeń ultradźwiękowych dla celów diagnostycznych opiera się bądź na zasadzie odbierania i analizowania echa, podobnie jak jest to wykorzystywane w defektoskopii, bądź na przepuszczaniu drgań ultradźwiękowych i ocenie stopnia pochłaniania.

W tych warunkach wykorzystuje się istnienie różnych oporów akustycznych tkanek miękkich. Tłumienie jest zależne od stosowanej częstotliwości drgań. Na przykład dla częstotliwości f=1MHz, tłumienie wynosi od ok. 3,3dB/cm w mięśniu szkieletowym do 0,1dB/cm w gałce ocznej. Pozwala to na odpowiednie zróżnicowanie położenia interesujących nas tkanek miękkich przy zastosowaniu częstotliwości w zakresie od 1 do 20MHz. Odbijane na granicy dwóch tkanek echo jest odpowiednio wzmacniane i uwidaczniane na lampie oscyloskopowej. W ten sposób ultrasonografia pozwala wniknąć w strukturę prawidłowych lub chorobowo zmienionych wiązadeł, ścięgien, nerwów, narządów czy mięśni, które dotąd za pomocą techniki rentgenowskiej nie były dostępne obserwacji.

Jedyną przeszkodą są jamy zawierające powietrze, gdyż te całkowicie odbijają wysyłane impulsy. A znów w tych wypadkach istnieje odpowiednia kontrastowość w obrazie radiologicznym. Można więc powiedzieć, że obie techniki wzajemnie się uzupełniają. Największe perspektywy ma niewątpliwie ultrasonografia jamy brzusznej w tym płodów. Przeprowadzenie RTG o okresie płodowym u kobiety może spowodować zmiany chromosomalne, jak też uszkodzenia rozwojowe płodu.

Czynione są także próby możliwości diagnozowania guzów nowotworowych i ich usytuowania. Osiągnięcia polskie w diagnostyce ultradźwiękowej są szczególnie duże, a zespół pod kierownictwem prof. L. Filipczyńskiego opracował wiele odmian ultrasonografów stosowanych w lecznictwie.

Zaobserwowane zmiany pod wpływem fal ultradźwiękowych polegające na trwałym uszkodzeniu tkanki nerwowej mózgu odnotowano dopiero przy półminutowym działaniu bezpośrednio na mózg natężeniem 80W/cm2, podczas gdy średnie natężenie podczas USG dochodzi do kilku W/cm2 w czasie ok. jednej milionowej sekundy! Wielokrotne stosowanie ultradźwięków nie powoduje efektu kumulacji, jak to ma miejsce w przypadku promieniowania jonizującego, którego skumulowana dawka określonej wielkości może później wywołać swoiste zmiany chorobowe.

Powstawanie infradźwięków

W warunkach laboratoryjnych stosuje się generatory infradźwiękowe, które wytwarzają drgania przenoszone przez powietrze za pomocą elastycznej membrany. Poziom natężenia tak uzyskiwanych infradźwięków sięga wartości od 100 do 160dB. W dawnym Leningradzie skonstruowano stanowisko badawcze dla małych zwierząt, w którym można uzyskać drgania w zakresie częstotliwości od 1 do 12,5Hz, a poziomie natężenia dochodzącym do 170dB.

W warunkach naturalnych infradźwięki towarzyszą wielu procesom technicznym, zwłaszcza tym, których praca wiąże się z dużym upływem gazów znajdujących się pod ciśnieniem. Z tego względu zwrócono uwagę na emisję tego zakresu drgań akustycznych w przemyśle i transporcie; ponieważ w tych warunkach istnieje największa możliwość oddziaływania na człowieka.
Przyjmuje się na podstawie pomiarów, że w samochodach osobowych fale infradźwiękowe mogą mieć większe natężenie niż towarzyszący im hałas. Źródłem infradźwięków w tych warunkach stają się zawirowania powietrza, szczególnie dające się we znaki w przypadku otwierania okna samochodu podczas jazdy. Różnice natężenia infradźwięków wewnątrz pojazdu przy zamkniętym i otwartym oknie przedstawia rysunek na poprzedniej stronie. W pojazdach napędzanych silnikami wysokoprężnymi podstawowym źródłem infradźwięków stają się silniki, a mają one znaczenie w trakcji szynowej, jak też i na statkach morskich.

Oprócz ultradźwięków, infradźwięki są stałą składową występującym w dużym natężeniu także w transporcie lotniczym. Dotyczy to zwłaszcza samolotów ponad dźwiękowych, ze względu na wytwarzaną falę uderzeniową, powstającą przy przekraczaniu bariery prędkości dźwięku. Znaczną część składową takiej fali stanowi energia akustyczna zakresu infradźwiękowego. Kucharski podaje, że dla samolotów pasażerskich maksimum energii znajduje się w paśmie 2Hz. Również rakiety różnego rodzaju są źródłem infradźwięków. Wprawdzie obecnie mają one ograniczone znaczenie, możne jednak się spodziewać, że w miarę rozwoju techniki rakietowej oddziaływanie to wzrośnie.

Poza środkami transportu, które wkraczają w obszar działalności człowieka, oddziałując infra- i ultradźwiękami na jego organizm, potężnym źródłem staje się przemysł. Poza wspomnianymi już sprzętami powszechnym źródłem infradźwięków stały się wentylatory i urządzenia wibrujące (np.: telefony komórkowe, pagery, etc.). Trzeba przyznać, że rozeznanie stopnia zagrożenia ze strony urządzeń technicznych nie jest jeszcze pełne, tym bardziej, iż szkodliwość dla człowieka tego rodzaju energii akustycznej nie została dotąd powszechnie uznana.

Przejawy biologizznego działania infradźwięków

Infradźwięki jako czynnik zakłócający prawidłową działalność organizmu do niedawna nie znajdowały się w sferze zainteresowań człowieka. Ponieważ występują one w warunkach naturalnych, zazwyczaj łącznie z dźwiękami słyszalnymi, znajdującymi się w zakresie niskich częstotliwości, to analizowanie odrębnego wpływu jest trudne, a często zmiany będące wynikiem działania infradźwięków są przypisywane hałasom o niskich tonach.

Oprócz oddziaływania infradźwięków na człowieka w środkach transportu czy warunkach pracy przemysłowej, w natężeniach umożliwiających przestrojenie czynności organizmu, ostatnio wspomina się o bardzo powszechnym ich działaniu na populację ludzką. Otóż ruch wiatru napotykającego przeszkodę a następnie opływającego ją przyczynia się do powstania drgań powietrza o częstotliwości zależnej od powstania takich parametrów jak prędkość przepływu powietrza oraz kształt i wielkość przeszkody. Tego rodzaju generatorem infradźwięków są wysokie, wolnostojące budynki. Dlatego drgania infraakustyczne w niektórych doniesieniach są traktowane jako jeden z przyszłych, uciążliwych czynników środowiska człowieka.

Zainteresowanie reakcjami fizjologicznymi wywołanymi infradźwiękami jest spowodowane faktem, iż w czasie lotów kosmicznych główna część energii akustycznej, wyzwalanej w czasie pracy silników, a działającej na człowieka zawarta jest między 1 a 100Hz. Wprawdzie oddziaływanie to może wiązać się bezpośrednio z przenoszeniem energii zasadniczo na drodze wibracji, to jednak nie można wykluczyć możliwości działania przez środowisko powietrzne. Infradźwięki bowiem o odpowiednio wysokim natężeniu przenoszone przez powietrze mogą wnikać do organizmu na zasadzie absorpcji przez skórę, narząd słuchu, pobudzać narząd równowagi. W konsekwencji wywołują rozmaite efekty fizjologiczne, zbliżone do zmian stwierdzonych pod wpływem wibracji.

Wpływ infradźwięków na układ nerwowy

Układ nerwowy reaguje podobnie na infradźwięki jak na działanie drgań ultradźwiękowych, w związku z czym większość objawów jest do siebie zbliżona. Ponieważ układ nerwowy reaguje jako całość zrozumiałe się staje, że objawy psychiczne mieszają się z wegetatywnymi, a pełny obraz nie wykazuje cech swoistości. Zmiany te mają charakter przemijający, czynnościowy.
Na czoło zmian wysuwają się przede wszystkim niezwykle subiektywne dolegliwości o charakterze podmiotowym, jak: szybkie pojawienie się zmęczenia, bóle, zawroty głowy, uczucie chwiania się, skłonności do omdleń, ogólne osłabienie, drażliwość, wybuchowość oraz zaburzenia snu. Brak jakichkolwiek objawów wskazujących na uszkodzenia narządów wewnętrznych. Występuje drżenie palców u rąk, wzmożony dermografizm, zaburzenia czynności serca, zwolnienie tętna, obniżenie ciśnienia tętniczego krwi. Zauważono także, iż mogą występować drgania gałki ocznej o maksymalnym okresie 4 sekundy, po ponad pięciogodzinnym przebywaniu w strefie infradźwięków o natężeniu przekraczającym 120dB.