Az ultrahangok

Kifejezetten az ultrahang bemutatásával foglalkozó anyag rendkívül bõségesnek mondható. Heinrich Kuttruff - Ultrasonics címû könyve [1] kimerítõen tárgyalja az ultrahang keletkezését, felhasználható alkalmazásait. Itt elsõsorban az ultrahang képzés, az impulzus kibocsátás-visszaverõdés fejezet mondható hasznosnak, valamint az egyes anyagok abszorpciós tulajdonságait tárgyaló részek.

Az ultrahang kibocsátás-visszaverõdés tulajdonságait talán a radarok [4] képesek legjobban bemutatni. Mivel az alkalmazott készülék is egyfajta radar lesz, hasznos ezt a témát is érinteni, valamint a Doppler effektusról [9] szóló anyagokat is.

Az ultrahangos adó-vevõ [2] adott, igaz még nem áll rendelkezésre. Bõvebb dokumentációjának (beállítási lehetõségek, szimulátor program) megismerése után vagyunk képesek konkrét feladatmegoldások kidolgozására.

[12] A természetben sok olyan jelenség található, amelyet az emberi érzékszervek nem észlelnek. Ilyen például az infravörös fény, vagy az ultrahang. Az ultrahang rugalmas közegben terjedõ olyan mechanikai rezgés, amelynek frekvenciája 20 kHz és 100 MHz között van. Sok esetben a 100 MHz-en felüli hangokat 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 elõ 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 visszaverõdik két különbözõ anyagi minõségû közeg határfelületérõl. Megmérve a kibocsátás és visszavert ultrahang észlelése közötti idõt, meghatározható az ultrahang által megtett út, és ezáltal a vizsgált anyag vastagsága, vagy az anyagban talált egyenlõtlenségek (hibák) helye. A gyakorlatban éppen ezért az ultrahang legjelentõsebb alkalmazása a különbözõ anyagok vastagságának, egyenlõtlenségeinek, hibáinak a meghatározása (defektoszkópia). Az ultrahang visszaverõdését felhasználjak víz alatti mélységmérésre, jéghegyek, halrajok helyzetének meghatározására, kis távolságú távközlésre, távkapcsolók müködtetésére és nem utolsósorban katonai célokra.

Nagy erõsségû ultrahang esetén az anyagban hõhatás és szerkezeti változás lép fel. Ebben az esetben az ultrahangot aktívnak tekintjük. Az ultrahang terjedese rugalmas közegben periódusos nyomásingadozást idéz elõ. Eléggé nagy frekvenciánál ilyenkor a húzási félperiódusban a kohézió nem tudja összetartani az anyag részecskéit, és így üregek keletkeznek. Ezt a jelenséget kavitációnak (buborékképzõdés) 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 elegyedõ folyadékok összekeverésére, szuszpenziók kicsapatására (ködtelenítésre). A kis intenzitású ultrahang gyorsítja a sejtek élet mûködését, míg nagy intenzitású ultrahang roncsoló hatást idéz elõ.

Ultrahangot eloállíthatnak mechanikai úton bizonyos speciális szirénákkal. Ennél azonban sokkal nagyobb jelentoségûek, s lényegesen nagyobb frekvenciát és energiát szolgáltatnak a különbözo mágneses és elektromos eljárások. Ez utóbbiak olyan elven mûködnek, hogy ferromágneses 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 megfelelo intenzitásnak. Az ultrahangnak a nagy frekvencia következtében kicsiny a hullámhossza. Ezért nyalábosítása közönséges méretû tükrökkel és megfelelo anyagú lencsékkel jól megvalósítható.


Az ultrahang jelenléte a természetben

Az ember hallása elméletileg 20Hz - tõl 20kHz - ig terjed, ebbõl adódóan nem olyan fejlett, hogy hallja az ultrahangot. Az embertõl valamivel magasabb hangokat még hallják a kutyák, és a macskák, ez körülbelül 35 - 40kHz - ig terjed, de egyes rágcsálók érzékelik a 100kHz - es hangokat is. Az egyik legismertebb, ultrahangot használó élõlény csoport a denevérek. A ma élo 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 lévo akadályok helyzetét tudja megítélni, hanem zsákmánya pontos helyét is.

A denevér, amikor keres, kivárja, míg a kibocsátott jel visszhangjának beérkezését, mielott a következot 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 idoben átfedje egymást. A hangok átfedése miatt Doppler-effektust felhasználva a denevér képes érzékelni a tárgy közeledését, illetve távolodását. A denevér által hallott különbségi hang ennek megfeleloen magasabbá vagy mélyebbé válik. A nagy patkósorrú és a kereknyergu patkósorrú denevérek pedig úgy változtatják az általuk kibocsátott jel frekvenciáját, hogy a visszaérkezo különbségi jel frekvenciája ne változzon.

A hallószerv teljesítményét a hangot összegyûjto 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 hangterelo borlebeny van. Emellett repülés közben fülkagylójukat másodpercenként akár ötvenszer tudják elore-hátra fordítani. Megfigyelték azt is, hogy a denevérek, ahol tehetik emlékezetbol tájékozódnak, így csak a mozgó testekre kell ügyelniük. Elsosorban az éjszakai lepkékben alakultak ki olyan érzékelok, amelyek felismerik a denevérek által kibocsátott hangokat, így el tudnak menekülni.

Hallószervük 150 kHz-ig fogja fel a hangokat. Ezzel már 30-35 méterrol észreveszik a közeledo denevért. A medvelepkék nem elégedtek meg azzal, hogy vastag bundájuk csaknem teljesen szétszórja a denevérek ultrahangsugarait, és így a róluk visszaverodo 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.
Ha az ultrahangról és az állatvilág kapcsolatáról beszélünk, a denevéreken kívül a delfinek is biztos eszünkbe jutnak. A delfinek is ultrahang segítségével tájékozódnak a víz alatt, sõt ennek segítségével akár több kilométerre lévõ tárgyakat, vagy élõlényeket is tudják pontosan azonosítani.



Az ultrahang felhasználása a technikában

Hegesztés

Az ultrahang-hegesztés azonos vagy eltéro jellegû fémek összekötése az érintkezési felülettel párhuzamos, az összehegesztendo darabba bevezetett mechanikai rezgés útján (ultrahangrezgés) az erre merolegesen mûkodo sajtoló nyomás egyidejû alkalmazásával.
A hegesztés során az ultrahang hatására létrejövo pillanatnyi hõmérséklet elérheti a fémek olvadási hõmérsékletét. A kötés övezete azonban ennél jóval alacsonyabb hõmérsékletû (pld. alumíniumnál ~ 300...350°C). E kedvezo hatás miatt a hegesztéstechnológia igen kis mértékû deformációt okoz. Az ultrahanghegesztést nem gátolja a felületi oxidhártya, kisebb mértékû szennyezodés, ezért a munkadarabokat nem kell elozetesen tisztítani. A varrat helyén a benyomódás, a felszíni deformáció igen csekély. Az eljárással különbözo vastagságú anyagok hegeszthetok, sot különbözo fémek (pld. alumínium más fémmel) is kötésbe vihetok.


Alkalmazási területei: Élelmiszercsomagolás, konzervipari anyagok hegesztése. Miniatûr számítástechnikai, elektronikai és finommechanikai alkatrészek hegesztése. Az ultrahang-hegesztés alkalmas folyadék-, gáz- és vákuumzárú varratok eloállítására.

Fémek vizsgálata

Az ultrahang homogén fémen szinte gyengítetlenül áthalad, a fémben lévo üregrol viszont visszaverodik. Így roncsolás nélkül lehet az anyag belsejét vizsgálni. Ultrahang segítségével tisztítani is lehet, a rezgés hatására a fém felületérol az oxidréteg és a szennyezodések is leválnak. Nagy igénybevételû fémszerkezetek vizsgálatára használják, pl: épületgépészet.

Folyadékok keverése

Ultrahanggal összekeverhetok normális körülmények között nem keveredo folyadékok, mert a heves rezgés hatására finom eloszlású emulzió keletkezik.


Egészségügyi vonatkozások

Az ultrahang természetesen az élo szervezetekre is hatással van. Ultrahangos kezelést alkalmaznak a gyógyászatban egyes ideg-, izom- és csontrendszeri megbetegedések gyógyítására. Talán legismertebb szerepe mégis az, hogy szervezeten belüli diagnosztikai vizsgálatokra használják, segítségével megállapíthatnak egyes betegségeket, vagy például a magzat elhelyezkedését a méhben.
Ezen felül, egyes kutatócsoportok a nyolcvanas évek derekán álltak elõ azzal az ötlettel, hogy az ultrahang alkalmas a bõrön keresztüli gyógyszer-áramoltatásra. Tízévi kutatómunka után bejelentették, hogy 20000 hertzes ultrahanggal ötezerszer gyorsabban áramolnak át bizonyos gyógyszerek a bõrön, mint a hagyományos, tapaszos módokon. Ám nemcsak gyógyszerek, hanem fehérjemolekulák is bejuttathatók a testbe. Föltevésük szerint az ultrahang úgy hat, hogy mikroszkopikus gázbuborékok jönnek létre a bõrben levõ folyadékban, s azok a bõrön át törnek utat maguknak a külvilágba. Ezek a parányi kapuk elég nagyok ahhoz, hogy visszafelé gyógyszermolekulák hatoljanak át rajtuk.


Katonai felhasználás

Az ultrahang egyik legsokoldalúbb felhasználási területe kétség kívül a hadiipar. A második világháborúban kezdték alkalmazni a szonárt, amely a német tengeralattjárók detektálását szolgálta. A kibocsájtott ultrahangimpulzus visszaverõdési idejébõl tudták meghatározni a víz alatti objektumok távolságát. A szonár hatékonyságát mutatja, hogy a német U-Boot flotta jelentõs részét a háború utolsó két évében szinte teljesen megsemmisítették.

Szintén ebben a háborúban vezette be a brit légelhárítás a radar használatát, amely felbecsülhetetlen segítséget nyújtott az ellenséges - legtöbbször éjszaka - támadó német bombázórajok és kísérõvadászaik korai észlelésére. Így akár már a La Manche csatorna felett képesek voltak bemérni a támadó hullámot és kiküldeni az elhárító vadászrajokat.
Napjainkra a radarok hatalmas fejlõdésen mentek keresztül. A korszerû vadászgépek radarjai képesek akár 50-100 km-rõl érzékelt célról a radarvisszhang alapján - a sebesség- és magasságadatokon kívül - típusinformációval szolgálni!! Ehhez természetesen digitális jelfeldolgozó processzorok (DSP-k) használata elengedhetetlen, valamint gyakori az öntanuló neurális hálózatok alkalmazása, mely során a rendszerrel "megtaníttatják" az egyes repülõgéptípusok radarvisszhang-jellegzetességeit.

Gripen

Az elektronikus hadviselésben fontos szerepet kap a zavarás, mely során bizonyos frekvenciatartományokban rendkívül nagy mennyiségû véletlen, haszontalan információt sugároznak, vagy "fantom" célokat "vetítenek" az ellenség radarernyõire.

A radar alkalmazása nem kizárólag detektáló ill. dezinformáló, hanem támadó feladatkörben is jellemzõ. Az aktív és félaktív radarirányítású levegõ-levegõ és levegõ-föld rakéták szintén radar segítségével "vezetik rá magukat" a célra. A mozgásukban szükséges pályakorrekciókat a radar szolgáltatta távolság és irányadatok alapján teszik meg. Folyamatos a visszacsatolás, tehát akár mozgó, vagy manõverezõ cél ellen is hatásosak lehetnek, a siker csak a rakéta fizikai manõverezõképességén múlik. Természetesen, mint minden fegyvernek, ennek a fegyvernemnek is létezik kisebb-nagyobb hatékonyságú "ellenszere". Ilyen a már fent említett zavarás, vagy a nagy radarvisszhanggal rendelkezõ fóliacsíkok (chaff), melyeket a célbavett repülõgép bocsájt ki, hogy az õt üldözõ rakéta a hívogatóbb, nagyobb radarkeresztmetszet felé forduljon.