Ultrazvuk je mechanické vlnění a pružné, které se šíří přes média, pevné, plynné nebo kapalné. Frekvenční rozsah ultrazvuku je mezi 16 000 a 10 000 000 hertzů , což je příliš vysoké na to, aby ho lidské ucho vnímalo , ale velmi intenzivní, cílený tok ultrazvuku může lidské tělo vnímat prostřednictvím jiných mechanoreceptorů . Název pochází ze skutečnosti, že jejich frekvence je příliš vysoká na to, aby byla slyšitelná pro lidské ucho (zvuk je příliš vysoký: rozsah frekvencí slyšitelných člověkem je mezi 20 a 20 000 hertzů. Tyto prahové hodnoty se však liší věkem) stejným způsobem jako infrazvuk označuje zvuky, jejichž frekvence je příliš nízká na to, aby je lidské ucho slyšelo. Když je frekvence slyšitelná lidským uchem, mluvíme jednoduše o zvuku.
Ultrazvuk se používá v průmyslu i v lékařství.
Ultrazvuková doména, to znamená rozsah frekvencí, ve kterých je ultrazvuk umístěn, je mezi 16 000 hertzy a 10 000 000 hertzů (nebo 10 MHz ). Můžeme kategorizovat různé ultrazvuky podle jejich frekvence. Je rozdělena do dvou kategorií. Rozlišujeme tedy:
Silový ultrazvuk je také rozdělen na 2 části:
Byl to Lazzaro Spallanzani, kdo v roce 1794 poprvé tušil existenci ultrazvuku. Byly objeveny v roce 1883 podle anglického fyziolog Francis Galton .
Teprve v roce 1917 se pod vlivem nezbytností protiponorkové války objevil první generátor ultrazvuku. Němci umístili své ponorky , první bojové ponorky, které skutečně sloužily, kolem Británie a potopily jakoukoli loď, která tam mířila. Předpokládá se sonar , pak nazývaný ASDIC . Systém je jednoduchý, ultrazvuky, vlny velmi málo absorbované vodou, jsou posílány do moře, pokud narazí na překážku, jsou poslány zpět na loď, čímž jsou informovány o poloze nepřítele. Zatím však nevíme, jak tyto ultrazvuky vyrobit. Francouzský uprchlík, Paul Langevin , uznávaný fyzik, pracuje na tomto problému od roku 1915 a napravil ho vytvořením prvního ultrazvukového generátoru, který se od té doby označuje jako „Langevinův triplet“.
Principem tohoto převaděče je sdružení dvou (nebo čtyř nebo šesti) piezoelektrických keramik upnutých a předepjatých mezi dvěma kovovými hmotami, aby se zabránilo jejich zničení. Tyto dvě kovové hmoty se také používají ke kalibraci této akustické sestavy na předem definované frekvenci, která může být obvykle mezi 20 000 Hz a 70 000 Hz.
Pod buzením sinusového signálu aplikovaného na keramiku (od několika set voltů do několika tisíc voltů) se při kontrakci deformují. Frekvenční ladění tripletu nebo akustické sestavy (Langevinův triplet, který lze běžně nazývat převaděč nebo vysílač) se získá, když je elektrická spotřeba minimální s maximálním posunem hmot uvedených do pohybu. Za tímto účelem musí být elektrická frekvence signálu aplikovaného na triplet v souladu s jeho frekvencí mechanické rezonance. Jednoduchou analogií je vícetonový kostelní zvon, který může uvést do pohybu jeden muž. Tato vibrace takto vytvořená v keramice se přenáší na dvě kovové hmoty. Amplituda posunu kovových hmot může být od několika mikronů do více než 20 mikronů vrchol / vrchol. Posun lze zvýšit přidáním zesilovače (mechanického zesilovače urychlujícího šíření takto vytvořené vibrační vlny) a sonotrody , což je ve skutečnosti nástroj, kde se tato vibrace použije. Amplituda získaného posunutí může snadno dosáhnout 100 mikronů, elektrická účinnost je výjimečná a je schopna dosáhnout 95 až 98%. Bez tohoto vynálezu by průmysl tuto technologii nevyužil. Jejich chování je způsobeno jejich interakcemi s prostředím, kde se šíří.
V současné době se ke generování ultrazvuku používají tři typy zářičů využívajících transformaci elektrické energie přenášené vysokofrekvenčními střídavými proudy na mechanickou energii (oscilace mechanického systému).
Podstatný prvek tohoto typu generátoru sestává z tripletu, to znamená mozaiky křemenných lamel přísně stejné orientace a tloušťky, slepených mezi dvěma ocelovými disky. Tyto dva disky jsou připojeny ke svorkám zdroje střídavého proudu. Křemenné vločky se poté deformují na stejné frekvenci, jako je napětí, které na ně působí. Produkují mechanické vibrace, které se přenášejí do prostředí, ve kterém se zařízení nachází. Právě tuto metodu použil Langevin k vytvoření prvních vysílačů.
Tyto zářiče používají princip magnetostrikce : feromagnetická tělesa (například typu niklového plechu ) jsou umístěna v proměnlivém magnetickém poli . Umožňuje získat poměrně významnou kontrakci těl, která se přenáší v okolním prostředí, obvykle ve vzduchu. Výhodou těchto vysílačů je jejich robustnost, jejich nevýhoda, neumožňují produkci ultrazvuku s frekvencí vyšší než 50 000 Hz .
Činnost těchto zářičů se blíží magnetostrikčním zářičům , s tím rozdílem, že použitými tělesy jsou keramika umístěná v proměnlivém elektrickém poli . Rozměry těla se poté mění, což způsobuje mechanický pohyb molekul vzduchu: ultrazvuk.
Aplikace ultrazvuku jsou různé:
Prvním použitím ultrazvuku bylo odhalení nepřátelských ponorkových plavidel. Princip této metody je jednoduchý: ultrazvuk se odráží na překážce a vrací se do svého počátečního bodu vytvořením ozvěny: znalost času oddělujícího emisi vlny a příjem ozvěny a rychlost ultrazvuku v mořské vodě ( kolem 1 500 m / s ), lze snadno odvodit vzdálenost oddělující vysílač od překážky. Tato metoda již není jen vojenská a byla přizpůsobena všem typům sledování překážek.
V metalurgii se ultrazvuk používá k odplyňování kovů, zjišťování vad , k obrábění a svařování určitých materiálů. K vrtání lze použít vrták připevněný k pohyblivé části ultrazvukového generátoru prováděním pohybů tam a zpět při frekvenci ultrazvuku. Dosáhne se přesnosti několika mikrometrů, a to iu extrémně tvrdých materiálů.
Ultrazvuk se také používá ke sterilizaci určitých kapalin, zejména mléka, k homogenizaci nebo předčištění kalů z čistíren odpadních vod nebo průmyslových zbytků, k průzkumu ložisek minerálů, k výbuchu výbušnin ovládaných na dálku, k čištění některých těl, jako jsou dřevěné sudy používá se k výrobě vína nebo ke svařování plastů.
Mnoho průmyslových odvětví, jako je farmaceutický, automobilový nebo hodinářský průmysl, také používá ultrazvuk k čištění: různé předměty tak mohou být ponořeny do ultrazvukových lázní , aby se zbavily nečistot, které by se tam mohly usazovat nebo hromadit.
Ultrazvuk se používá při diagnostice a léčbě různých stavů.
Pro diagnostické účely se ultrazvuk používá ultrazvukem, který zkoumá měkké nebo tekutinou naplněné vnitřní orgány odrazem a analýzou ultrazvukového paprsku, a Dopplerem; tato poslední technika studuje rychlost arteriálního a venózního oběhu pomocí sondy emitující ultrazvuky, které se odrážejí na červených krvinkách a poté jsou sbírány přijímačem umístěným na stejné sondě.
Pro terapeutické účely byl ultrazvuk používán při symptomatické léčbě infekcí měkkých tkání (svalů, vazů, šlach). Tato technika, nazývaná ultrazvuková terapie , teoreticky využívala vysokofrekvenční vlny ke snížení zánětu zlepšením místní cirkulace. Dnes však nebyla nalezena žádná terapeutická hodnota ultrazvuku pro patologické stavy měkkých tkání. Ultrazvuk se také používá k externímu rozbití kamenů, zejména močových, technikou nazývanou litotrypsie.
v Dubna 2008, po evropském uvedení na trh došlo ke sporu o zařízení určeném k udržení mladých lidí mimo určitá místa, vyzařováním frekvencí blízkých ultrazvuku, což je patrné pouze u mladých jedinců, což je pravdivé teoreticky, ale ne v praxi. Lidský sluch ve skutečnosti s věkem ztrácí schopnost slyšet vysoké zvuky. Nicméně podle lidí a zejména podle akustické hygieny života (příliš hlasitá sluchátka nebo příliš hlasné hudební večery nenapravitelně poškozují sluch) mohou starší lidé slyšet vyšší zvuky než někteří mladí lidé. Tento proces narazil na značnou opozici, a to jak z etických, tak z lékařských důvodů, a bylo hlášeno mnoho hlasů požadujících jeho zákaz.
Mnoho suchozemských obratlovců, jako jsou psi, kočky, někteří hlodavci nebo netopýři , může slyšet určité rozsahy ultrazvuku a / nebo jej použít ke komunikaci. Ultrazvuk, který se hraje ve světě zvířat, studuje bioakustika , která ukázala, že mnoho zvířat používá zvuky vydávané nad horní hranici lidského sluchu. Vysoké frekvence poskytují určité výhody v komunikaci a možnosti, jako je echolokace .
Někteří mohou vyzařovat: netopýři vyzařují ultrazvuk, který se odráží na okolních objektech, což jim umožňuje vnímat jejich prostředí (viz echolokace ) . Mladé myši vnímají ultrazvuky vysílané jejich kojící matkou.
Totéž platí pro kytovce ( velryby , delfíni ), kteří ke komunikaci a vnímání svého prostředí používají zvuky o vysoké frekvenci.
Po dlouhou dobu byla výroba a vnímání ultrazvuku považováno za možné pouze u savců. Podle údajů dostupných v 70. letech by ptáci neslyšeli zvuky, jejichž frekvence přesahuje 12 kHz podle Konishiho (1973), a podle údajů dostupných v 80. letech byl sluch obojživelníků omezen na 5 kHz (podle Fay 1988 nebo 8 podle Loftus-Hills, 1970). Vědci však poté zjistili, že obojživelníci ptáků a anuranů je mohou vnímat. Žába konkávní okrový torrent žába a vrabec zpěvák abroscopus albogularis bydlení v blízkosti hlučné potoků se vešly do jejich zpěv harmonický ultrazvuku. Žába Odorrana tormota je tedy schopna vysílat a vnímat ultrazvuk o více než 100 kHz . Je to první druh nesavců s touto vlastností, který byl objeven. Samec vyslovuje výkřiky podobné ptačí zpěvu a má neobvyklou anatomii ucha, včetně konkávního ušního bubínku.
Rovněž bylo prokázáno, že u určitých zvířat (například myší) má mozek oblast věnovanou interpretaci ultrazvuků vnímaných zvířetem.
Několik metod plašení druhů považovaných za nežádoucí v určitých kontextech je založeno na rozptylu ultrazvuku, a to i u ptáků, když je rozptyl prováděn nad určitou sílu. Některá zvířata by tak mohla a z jiných důvodů mohla být obětí hlukové zátěže, kterou lidé neslyší. Bylo například pozorováno, že pást se netopýry (které hrají hlavní roli v oplodnění určitých rostlin) se vyhýbají hlučným oblastem, které je pravděpodobně narušují při špinění květin. U jiných druhů netopýrů může hluk narušovat jejich sluchové vnímání (a zejména vnímání jejich kořisti nebo určitých překážek či predátorů).