Fizika | Középiskola » Az ultrahangok

Az ultrahangok A természetben sok olyan jelenség található, amelyet az emberi érzékszervek nem észlelnek. Ilyen például az infravörös fény, az ultrahang stb Ebben a szakdolgozatban az ultrahangról lesz szó, valamint annak felhasználásáról a természetben és a technikában. Az ultrahang rugalmas közegben terjedô olyan mechanikai rezgés, amelynek frekvenciája 16 kHz és 100 MHz között van. Sok esetben a 100 MHz-en felüli hiperhangokat is ultrahangnak tekintik. Aszerint, hogy az anyagi közegben, amelyben az ultrahang terjed, létrejönnek-e vagy sem fizikai, illetve kémiai változások, megkülönböztetnek aktív és passzív ultrahangot. Amikor az ultrahang intenzitása elég kicsi, a közegben nem idéz elô szerkezeti változást, vagyis passzív. A passzív ultrahang által megtett út, valamint a terjedési sebesség mérése felhasználható a közeg szerkezeti tulajdonságainak, továbbá az ultrahangtérnek a tanulmányozására. A hanghoz hasonlóan

az ultrahang is visszaverôdik két különbözô anyagi minôségű közeg határfelületérôl. Megmérve a kibocsátás és visszavert ultrahang észlelése közötti idôt, meghatározható az ultrahang által megtett út, és ezáltal a vizsgált anyag vastagsága, vagy az anyagban talált egyenlôtlenségek (hibák) helye. A gyakorlatban éppen ezért az ultrahang legjelentôsebb alkalmazása a különbözô anyagok vastagságának, egyenlôtlenségeinek, hibáinak a meghatározása (defektoszkópia). Az ultrahang visszaverôdését felhasználjak víz alatti mélységmérésre, jéghegyek, halrajok helyzetének meghatározására, kis távolságú távközlésre, távkapcsolók müködtetésére. Nagy erôsségû ultrahang esetén az anyagban hôhatás és szerkezeti változás lép fel. Ebben az esetben az ultrahangot aktívnak tekintjük Az ultrahang terjedese rugalmas közegben periódusos nyomásingadozást idéz elô; eléggé nagy frekvenciánál ilyenkor a húzási

félperiódusban a kohézió nem tudja összetartani az anyag részecskéit, és így üregek keletkeznek. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik Az összenyomási félperiódusban az üregek összeomlanak; ezt mechanikai és elektromos energia felszabadulása kíséri, s általában fizikai, kémiai és biológiai hatások követik. Ezeket sokrétûen alkalmazzák a gyakorlatban például fúrásra, fémfelületek tisztítására, forrasztásra, nem elegyedô folyadékok összekeverésére, szuszpenziók kicsapatására (ködtelenítésre). A kis intenzitású ultrahang gyorsítja a sejtek életmûködését, míg nagy intenzitású ultrahangroncsoló hatást idéz elô. Ultrahangot elõállíthatnak mechanikai úton bizonyos speciális szirénákkal. Ennél azonban sokkal nagyobb jelentõségûek, s lényegesen nagyobb frekvenciát és energiát szolgáltatnak a különbözõ mágneses és elektromos eljárások. Ez utóbbiak olyan elven mûködnek, hogy ferromágneses2 rudak

hossza változó mágneses térben, illetve bizonyos piezoelektromos kristályok alakja változó elektromos feszültség hatására módosulnak. A változások olyan gyorsak, hogy az anyagok határán ultrahang hullámok keletkeznek. Egy ilyen ultrahang intenzitása 10000-szerese lehet a fájdalomküszöbnek megfelelõ intenzitásnak. Az ultrahangnak a nagy frekvencia következtében kicsiny a 1 hullámhossza. Ezért nyalábosítása közönséges méretû tükrökkel és megfelelõ anyagu lencsékkel jól megvalósítható. Az ultrahang felhasználása a természetben A legismertebb, ultrahangot használó élôlény csoport a denevérek. A ma élõ valamennyi denevérfaj éjszaka aktív. Az éjszakai mozgáshoz szükség volt egy hatékony navigációs rendszerre. Az általuk használt visszhang-lokátor mûködésében a radarra hasonlít, de nem rádióhullámokat, hanem 50-200 kHz-es hanghullámokat bocsát ki. Az egyes jelek visszhangjából nemcsak a körülötte lévõ

akadályokhelyzetét tudja megítélni, hanem zsákmánya pontos helyét is. A denevér, amikor keres, kivárja, míg a kibocsátott jel visszhangjának beérkezését, mielõtt a következõt kibocsátaná. A célhoz közelebb érve a denevér növelheti a kibocsátott jelek számát, ezzel egyre pontosabbá téve az áldozat bemérését. Ha már felfedezte áldozatát, már hagyja, hogy az induló és visszavert hullám idõben átfedje egymást. A hangok átfedése miatt Dopplerr-effektust felhasználva a denevér képes érzékelni a tárgy közeledését, illetve távolodását. A denevér által hallott különbségi hang ennek megfelelõen magasabbá vagy mélyebbé válik. A nagy patkósorrú és a kereknyergû patkósorrú denevérek pedig úgy változtatják az általuk kibocsátott jel frekvenciáját, hogy a visszaérkezõ különbségi jel frekvenciája ne változzon. A hallószerv teljesítményét a hangot összegyûjtõ fülkagyló is fokozza Ez a legtöbb denevéren a

testmérethez viszonyítva nagy. A sikeres vadászat pillanatnyi vakságot is okoz, mert tele szájjal nem tudja kibocsátani az ultrahangokat. A patkósorrú denevérek a hangot az orrukon keresztül bocsátják ki, így a táplálkozás nem zavarja a tájékozódást. Az orrnyílása körül kürtszerû hangterelõ bõrlebeny van Emellett repülés közben fülkagylójukat másodpercenként akár ötvenszer tudják elõre-hátra fordítani. Megfigyelték azt is, hogy a denevérek, ahol tehetik emlékezetbõl tájékozódnak, így csak a mozgó testekre kell ügyelniük. Elsõsorban az éjszakai lepkékben alakultak ki olyan érzékelõk, amelyek felismerik a denevérek által kibocsátott hangokat, így el tudnak menekülni. Hallószervük 150 kHz-ig fogja fel a hangokat Ezzel már 30-35 méterrõl észreveszik a közeledõ denevért. A medvelepkék nem elégedtek meg azzal, hogy vastag bundájuk csaknem teljesen szétszórja a denevérek ultrahangsugarait, és így a róluk

visszaverõdõ jelek egészen gyengék, még zavaró jeleket is kibocsátanak. Fogságban tartott denevérrel végzett kísérlet szerint ez a hang valamiféle felségjel, ami a denevért elriasztja. Valószínûleg olyan hang, amit egy a denevér számára ehetetlen rovar bocsát ki. Az ultrahang felhasználása a technikában Az ultrahang-hegesztés Az ultrahang-hegesztés azonos vagy eltérõ jellegû fémek összekötése az érintkezési felülettel párhuzamos, az összehegesztendõ darabba bevezetett mechanikai rezgés útján (ultrahangrezgés) az erre merõlegesen mûkõdõ sajtoló nyomás egyidejû alkalmazásával. A hegesztõgép elvi elrendezése az 1. ábrán látható Az 1 nagyfrekvenciás generátorban 2 elõállított 20.50 kHz frekvenciájú váltakozó áram a 2 rezgõrendszerben mechanikai energiává alakul át. Az exponenciális csõ által felerõsített amplitúdójú rezgést ( 10100 m ) a szonotróda az F erõ segítségével juttatja be az

összehegesztendõ felsõ munkadarabba. A felsõ rész rezgésbe jön, míg az alsó nyugalomban marad, így az F erõ miatt hõt termelõ súrlódás alakul ki, amely létrehozza a ponthegesztést. Ha a szonotróda és az ellen szonotróda görgos kialakítású, akkor vonalhegesztési technológiát is létre lehet hozni. 1. ábra. Ultrahangos ponthegesztés A hegesztés során az ultrahang hatására létrejövõ pillanatnyi homérséklet elérheti a fémek olvadási homérsékletét. A kötés övezete azonban ennél jóval alacsonyabb homérsékletû (pld. alumíniumnál ~ 300350oC) E kedvezõ hatás miatt a hegesztéstechnológia igen kis mértékû deformációt okoz. Az ultrahanghegesztést nem gátolja a felületi oxidhártya, kisebb mértékû szennyezõdés, ezért a munkadarabokat nem kell elõzetesen tisztítani. A varrat helyén a benyomódás, a felszíni deformáció igen csekély. Az eljárással különbözõ vastagságú anyagok hegeszthetõk, sõt különbözõ

fémek (pld. alumínium más fémmel) is kötésbe vihetõk Alkalmazási területei: Élelmiszercsomagolás, konzervipari anyagok hegesztése. Miniatûr számítástechnikai, elektronikai és finommechanikai alkatrészek hegesztése. Az ultrahang-hegesztés alkalmas folyadék-, gáz- és vákuumzárú varratok elõállítására. Az ultrahang további alkalmazásai: Fémek vizsgálata Az ultrahang homogén fémen szinte gyengítetlenül áthalad, a fémben lévõ üregrõl viszont visszaverõdik. Így roncsolás nélkül lehet az anyag belsejét vizsgálni Ultrahang segítségével tisztítani is lehet, a rezgés hatására a fém felületérõl az oxidréteg és a szennyezõdések is leválnak. Folyadékok keverése Ultrahanggal összekeverhetõk normális körülmények között nem keveredõ folyadékok, mert a heves rezgés hatására finom eloszlású emulzió keletkezik. Egészségügyi vonatkozások 3 Az ultrahang természetesen az élõ szervezetekre is hatással van.

Ultrahangos kezelést alkalmaznak a gyógyászatban egyes ideg-, izom- és csontrendszeri megbetegedések gyógyítására. Talán legismertebb mégis az a szerepe, hogy szervezeten belüli diagnosztikai vizsgálatokra használják, segítségével megállapíthatják például a magzat elhelyezkedését a méhben. 4