Υπέρηχος

Ο Υπέρηχος είναι ηχητικό κύμα με συχνότητες υψηλότερες από το ανώτερο ακουστικό όριο της ανθρώπινης ακοής. Ο υπέρηχος δεν διαφέρει από τον “κανονικό” (ακουστό) ήχο στις φυσικές του ιδιότητες, εκτός από το ότι οι άνθρωποι δεν μπορούν να τον ακούσουν. Αυτό το όριο διαφέρει από άτομο σε άτομο και είναι περίπου 20 kilohertz (20.000 hertz) σε υγιείς νεαρούς ενήλικες. Οι συσκευές υπερήχων λειτουργούν με συχνότητες από 20 kHz έως αρκετά gigahertz.

Ο υπέρηχος χρησιμοποιείται σε πολλούς διαφορετικούς τομείς. Οι συσκευές υπερήχων χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση αντικειμένων και τη μέτρηση αποστάσεων. H υπερηχογραφική απεικόνιση ή υπερηχογραφία  χρησιμοποιείται συχνά στην ιατρική. Στη μη καταστροφική δοκιμή προϊόντων και δομών, ο υπέρηχος χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό αόρατων ελαττωμάτων. Βιομηχανικά, ο υπέρηχος χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό, την ανάμειξη και την επιτάχυνση χημικών διεργασιών. Ζώα όπως νυχτερίδες και τα κητώδη χρησιμοποιούν υπερήχους για τον εντοπισμό θηραμάτων και εμποδίων.

 Ιστορικό 

Η ακουστική, η επιστήμη του ήχου, ξεκινά ήδη από τον Πυθαγόρα τον 6ο αιώνα π.Χ., ο οποίος έγραψε για τις μαθηματικές ιδιότητες των έγχορδων οργάνων. Ο ηχοεντοπισμός σε νυχτερίδες ανακαλύφθηκε από τον Λάζαρο Σπαλαντζάνι το 1794, όταν απέδειξε ότι οι νυχτερίδες κυνηγούσαν και πλοηγούνταν με μη ακουστό ήχο, όχι με όραση. Ο Francis Galton το 1893 εφηύρε τη σφυρίχτρα Galton, μια ρυθμιζόμενη σφυρίχτρα που παρήγαγε υπερήχους, την οποία χρησιμοποίησε για να μετρήσει το εύρος ακοής των ανθρώπων και άλλων ζώων, δείχνοντας ότι πολλά ζώα μπορούσαν να ακούσουν ήχους πάνω από το εύρος ακοής των ανθρώπων. Η πρώτη τεχνολογική εφαρμογή του υπερήχου ήταν μια προσπάθεια ανίχνευσης υποβρυχίων από τον Πολ Λανζεβέν το 1917. Ο πιεζοηλεκτρισμός, που ανακαλύφθηκε από τους Ζακ και Πιερ Κιουρί το 1880, ήταν χρήσιμος σε μορφομετατροπείς για τη δημιουργία και την ανίχνευση υπερηχητικών κυμάτων στον αέρα και το νερό.

 Ορισμός 
Ο υπέρηχος ορίζεται από το ANSI/ASA S1.1-2013 του Αμερικανικού Εθνικού Ιδρύματος Προτυποποίησης ως "ήχος σε συχνότητες μεγαλύτερες από 20 kHz". Στον αέρα υπό ατμοσφαιρική πίεση, τα υπερηχητικά κύματα έχουν μήκη κύματος 1,9 cm ή λιγότερο.

 Αντίληψη 

 Άνθρωποι 
Το ανώτερο όριο συχνότητας στον άνθρωπο (περίπου 20 kHz) οφείλεται σε περιορισμούς του μεσαίου ωτός. Η ακουστική αίσθηση μπορεί να συμβεί εάν υπέρηχος υψηλής έντασης τροφοδοτηθεί απευθείας στο ανθρώπινο κρανίο και φτάσει στον κοχλία μέσω αγωγής των οστών, χωρίς να περάσει από το μέσο αφτί.

Τα παιδιά μπορούν να ακούσουν κάποιους ήχους υψηλής έντασης που οι μεγαλύτεροι ενήλικες δεν μπορούν να ακούσουν, επειδή στους ανθρώπους το ύψος ακοής του ανώτερου ορίου τείνει να μειώνεται με την ηλικία. Μια αμερικανική εταιρεία κινητών τηλεφώνων το χρησιμοποίησε για να δημιουργήσει σήματα κουδουνίσματος που υποτίθεται ότι ακούγονται μόνο στους νεότερους ανθρώπους, αλλά πολλοί ηλικιωμένοι μπορούν να ακούσουν τα σήματα, κάτι που μπορεί να οφείλεται στη σημαντική διακύμανση της επιδείνωσης που σχετίζεται με την ηλικία στο ανώτερο όριο ακοής. Το "The Mosquito" είναι μια ηλεκτρονική συσκευή που χρησιμοποιεί υψηλή συχνότητα για να αποτρέψει περιπλανήσεις από νέους.

 Ζώα 

Οι νυχτερίδες χρησιμοποιούν μια ποικιλία τεχνικών υπερήχων ηχοεντοπισμού για να ανιχνεύσουν το θήραμά τους. Μπορούν να ανιχνεύσουν συχνότητες πέραν των 100 kHz, πιθανώς έως και 200 kHz .

Πολλά έντομα έχουν καλή ακοή στους υπερήχους, και τα περισσότερα από αυτά είναι νυκτόβια έντομα που ακούν για ηχοεντοπισμό νυχτερίδων. Αυτά περιλαμβάνουν πολλές ομάδες από νυχτοπεταλούδες, σκαθάρια, μαντώδη και νευρόπτερα. Μόλις ακούσουν μια νυχτερίδα, μερικά έντομα θα κάνουν ελιγμούς αποφυγής για να γλιτώσουν από τη σύλληψη. Οι υπερηχητικές συχνότητες πυροδοτούν ένα αντανακλαστικό σε σκόρους νοκτουίδες (noctuid) που τους προκαλούν μια ελαφριά πτώση κατά την πτήση του για να αποφύγουν την επίθεση. Οι σκόροι τίγρεις (Tiger moths) εκπέμπουν επίσης ήχους που μπορούν να διαταράξουν τον ηχοεντοπισμό των νυχτερίδων, και σε άλλες περιπτώσεις μπορεί να διαφημίζουν το γεγονός ότι είναι δηλητηριώδεις εκπέμποντας ήχο.

Το εύρος ακοής των σκύλων και των γατών εκτείνεται στους υπερήχους. Το ανώτερο άκρο του εύρους ακοής ενός σκύλου είναι περίπου 45 kHz, ενώ μιας γάτας είναι 64 kHz.  Οι άγριοι πρόγονοι των γατών και των σκύλων εξέλιξαν αυτό το υψηλότερο εύρος ακοής για να ακούν ήχους υψηλής συχνότητας που παράγονται από το προτιμώμενο θήραμά τους, τα μικρά τρωκτικά.  Η σφυρίχτρα σκύλου είναι μια σφυρίχτρα που εκπέμπει υπερήχους, που χρησιμοποιείται για την εκπαίδευση και την κλήση σκύλων. Η συχνότητα των περισσότερων σφυριχτρών για σκύλους κυμαίνεται από 23 έως 54 kHz.

Οι οδοντωτές φάλαινες (Toothed whales), συμπεριλαμβανομένων των δελφινιών, μπορούν να ακούσουν υπερήχους και να χρησιμοποιήσουν τέτοιους ήχους στο σύστημα πλοήγησής τους (βιοηχοβολισμός) για να προσανατολιστούν και να συλλάβουν το θήραμα. Τα κητώδη έχουν το υψηλότερο γνωστό ανώτερο όριο ακοής στα 160 kHz περίπου. Αρκετοί τύποι ψαριών μπορούν να ανιχνεύσουν υπερήχους. Με τη σειρά η τάξη Clupeiformes, τα μέλη της υποοικογένειας Alosinae έχουν αποδειχθεί ότι μπορούν να ανιχνεύουν ήχους έως και 180 kHz, ενώ οι άλλες υποοικογένειες (π.χ. ρέγγες) μπορεί να ακούσουν μόνο έως και 4 kHz.

Συστήματα γεννήτριας/ηχείων υπερήχων πωλούνται ως συσκευές ηλεκτρονικού ελέγχου παρασίτων, οι οποίες υποστηρίζεται ότι τρομάζουν τρωκτικά και έντομα, αλλά δεν υπάρχουν επιστημονικά στοιχεία ότι οι συσκευές λειτουργούν έτσι.

 Ανίχνευση και εύρος 

 Αισθητήρας χωρίς επαφή 
Ένα σύστημα στάθμης ή ανίχνευσης υπερήχων δεν απαιτεί επαφή με τον στόχο. Για πολλές διεργασίες στην ιατρική, τη φαρμακευτική, τη στρατιωτική και τη γενική βιομηχανία, αυτό είναι ένα πλεονέκτημα σε σχέση με τους ενσωματωμένους αισθητήρες που μπορεί να μολύνουν τα υγρά μέσα σε ένα δοχείο ή σωλήνα, ή που μπορεί να φράξουν από το προϊόν.

Χρησιμοποιούνται συστήματα συνεχών και παλμικών κυμάτων. Η αρχή πίσω από μια τεχνολογία παλμικών υπερήχων είναι ότι το σήμα μετάδοσης αποτελείται από σύντομες εκρήξεις υπερηχητικής ενέργειας. Μετά από κάθε έκρηξη, τα ηλεκτρονικά αναζητούν ένα σήμα επιστροφής μέσα σε ένα μικρό χρονικό διάστημα που αντιστοιχεί στον χρόνο που χρειάζεται για να περάσει η ενέργεια μέσα από το δοχείο. Μόνο ένα σήμα που λαμβάνεται κατά τη διάρκεια αυτού του παραθύρου θα πληροί τις προϋποθέσεις για πρόσθετη επεξεργασία του σήματος.

Μια δημοφιλής καταναλωτική εφαρμογή της εμβέλειας υπερήχων ήταν η κάμερα Polaroid SX-70, η οποία περιλάμβανε ένα ελαφρύ σύστημα μετατροπέα για αυτόματη εστίαση της κάμερας. Η Polaroid αργότερα έδωσε την άδεια σε αυτήν την τεχνολογία υπερήχων και έγινε η βάση μιας ποικιλίας προϊόντων υπερήχων.

 Αισθητήρες κίνησης και μέτρηση ροής 
Μια κοινή εφαρμογή υπερήχων είναι ένα αυτόματο άνοιγμα πόρτας, όπου ένας αισθητήρας υπερήχων ανιχνεύει την προσέγγιση ενός ατόμου και ανοίγει την πόρτα. Οι αισθητήρες υπερήχων χρησιμοποιούνται επίσης για την ανίχνευση εισβολέων. Οι υπέρηχοι μπορούν να καλύψουν μια ευρεία περιοχή από ένα μόνο σημείο. Η ροή σε σωλήνες ή ανοιχτά κανάλια μπορεί να μετρηθεί με ροόμετρα υπερήχων, τα οποία μετρούν τη μέση ταχύτητα ροής του υγρού. Στη ρεολογία, ένα ακουστικό ρεόμετρο βασίζεται στην αρχή των υπερήχων. Στη μηχανική των ρευστών, η ροή ρευστού μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας ένα ροόμετρο υπερήχων.

 Μη καταστροφικός έλεγχος

Ο έλεγχος με υπερήχους είναι ένας τύπος μη καταστροφικης δοκιμής που χρησιμοποιείται συνήθως για την εύρεση ελαττωμάτων στα υλικά και για τη μέτρηση του πάχους των αντικειμένων. Οι συχνότητες από 2 έως 10 MHz είναι κοινές, αλλά για ειδικούς σκοπούς χρησιμοποιούνται άλλες συχνότητες. Ο έλεγχος μπορεί να είναι χειροκίνητος ή αυτοματοποιημένος και αποτελεί ουσιαστικό μέρος των σύγχρονων διαδικασιών παραγωγής. Μπορούν να ελεγχθούν τα περισσότερα μέταλλα, τα πλαστικά και σύνθετα υλικά αεροδιαστημικής. Οι υπέρηχοι χαμηλότερης συχνότητας (50–500 kHz) μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την επιθεώρηση λιγότερο πυκνών υλικών όπως ξύλο, σκυρόδεμα και τσιμέντο.

Ο υπερηχογραφικός έλεγχος συγκολλημένων αρθρώσεων ήταν μια εναλλακτική της ακτινογραφίας για μη καταστροφικό έλεγχο από τη δεκαετία του 1960. Η επιθεώρηση με υπερήχους εξαλείφει τη χρήση ιονίζουσας ακτινοβολίας, με οφέλη ασφάλειας και κόστους. Ο υπέρηχος μπορεί επίσης να παρέχει πρόσθετες πληροφορίες, όπως το βάθος των ελαττωμάτων σε μια συγκολλημένη άρθρωση. Ο έλεγχος με υπερήχους έχει προχωρήσει από χειροκίνητες μεθόδους σε ηλεκτρονικά συστήματα που αυτοματοποιούν μεγάλο μέρος της διαδικασίας. Μια εξέταση υπερήχων μιας άρθρωσης μπορεί να εντοπίσει την ύπαρξη ελαττωμάτων, να μετρήσει το μέγεθός τους και να εντοπίσει τη θέση τους. Δεν είναι όλα τα συγκολλημένα υλικά εξίσου επιδεκτικά σε επιθεώρηση υπερήχων. Ορισμένα υλικά έχουν μεγάλο μέγεθος κόκκων που παράγει υψηλό επίπεδο θορύβου περιβάλλοντος στις μετρήσεις.

Η Μέτρηση πάχους με υπερήχους είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της ποιότητας των συγκολλήσεων.

Υπερηχητική εύρεση απόστασης υποβρύχιου αντικειμένου 
Μια κοινή χρήση του υπερήχου είναι η εύρεση του βάθους υποβρύχιου αντικειμένου. Αυτή η χρήση ονομάζεται επίσης ηχοβολισμός. Ένας υπερηχητικός παλμός δημιουργείται σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Εάν υπάρχει ένα αντικείμενο στη διαδρομή αυτού του παλμού, μέρος ή όλος ο παλμός θα αντανακλάται πίσω στον πομπό ως ηχώ και μπορεί να ανιχνευθεί μέσω της διαδρομής του δέκτη. Μετρώντας τη διαφορά χρόνου μεταξύ του παλμού που εκπέμπεται και της ηχούς που λαμβάνεται, είναι δυνατός ο προσδιορισμός της απόστασης.

Ο μετρούμενος χρόνος ταξιδιού των ηχοβολιστικών παλμών στο νερό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία και την αλατότητα του νερού. Περιοχή υπερήχων εφαρμόζεται επίσης για μέτρηση στον αέρα και για μικρές αποστάσεις. Για παράδειγμα, τα φορητά εργαλεία μέτρησης υπερήχων μπορούν να μετρήσουν γρήγορα τη διάταξη των δωματίων.

Αν και η υποβρύχια εύρεση απόστασης εκτελείται τόσο σε υποηχητικές όσο και σε υπερηχητικές συχνότητες για μεγάλες αποστάσεις (1 έως αρκετά χιλιόμετρα), η εύρεση απόστασης με υπερήχους χρησιμοποιείται όταν οι αποστάσεις είναι μικρότερες και η ακρίβεια της μέτρησης της απόστασης επιθυμείται να είναι μεγαλύτερη. Οι μετρήσεις υπερήχων μπορεί να περιοριστούν μέσω στρώσεων φραγμού με μεγάλες διαφορές αλατότητας, θερμοκρασίας ή διαφορικών δινών. Η απόσταση στο νερό ποικίλλει από περίπου εκατοντάδες έως χιλιάδες μέτρα.

 Αναγνώριση με υπερήχους (USID)
Η αναγνώριση με υπερήχους (Ultrasound Identification ή USID) είναι ένα σύστημα εντοπισμού σε πραγματικό χρόνο (Real-Time Locating System ή RTLS) ή σύστημα εντοπισμού θέσης εσωτερικού χώρου (Indoor Positioning System ή IPS) που χρησιμοποιείται για την αυτόματη παρακολούθηση και αναγνώριση της τοποθεσίας αντικείμενων σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας απλούς, φθηνούς κόμβους (σήματα/ετικέτες) που είναι προσαρτημένοι ή ενσωματωμένοι σε αντικείμενα και συσκευές, οι οποίοι στη συνέχεια μεταδίδουν ένα σήμα υπερήχων για να επικοινωνήσουν τη θέση τους με τους αισθητήρες μικροφώνου.

 Απεικόνιση 
Η δυνατότητα για υπερηχητική απεικόνιση αντικειμένων, με ηχητικό κύμα 3 GHz που παράγει ανάλυση συγκρίσιμη με οπτική εικόνα, αναγνωρίστηκε από τον Sokolov το 1939, αλλά οι τεχνικές της εποχής παρήγαγαν εικόνες σχετικά χαμηλής αντίθεσης με χαμηλή ευαισθησία.
Η απεικόνιση υπερήχων χρησιμοποιεί συχνότητες 2 megahertz και υψηλότερες. Το μικρότερο μήκος κύματος επιτρέπει την ανάλυση μικρών εσωτερικών λεπτομερειών σε δομές και ιστούς. Η πυκνότητα ισχύος είναι γενικά μικρότερη από 1 watt ανά τετραγωνικό εκατοστό για την αποφυγή επιδράσεων θέρμανσης και σπηλαίωσης στο υπό εξέταση αντικείμενο. Υψηλά και εξαιρετικά υψηλά κύματα υπερήχων χρησιμοποιούνται στην ακουστική μικροσκοπία, με συχνότητες έως 4 gigahertz. Οι εφαρμογές απεικόνισης υπερήχων περιλαμβάνουν βιομηχανικές μη καταστροφικές δοκιμές, ποιοτικό έλεγχο και ιατρικές χρήσεις.

 Ακουστική μικροσκοπία 
Ακουστική μικροσκοπία είναι η τεχνική της χρήσης ηχητικών κυμάτων για την απεικόνιση δομών πολύ μικρών για να επιλυθούν από το ανθρώπινο μάτι. Στα ακουστικά μικροσκόπια χρησιμοποιούνται συχνότητες έως και αρκετά gigahertz. Η ανάκλαση και η περίθλαση των ηχητικών κυμάτων από μικροσκοπικές δομές μπορεί να δώσει πληροφορίες που δεν είναι διαθέσιμες με το φως.

Iατρικές εφαρμογές στον άνθρωπο
Η υπερηχοτομογραφία είναι μια διαγνωστική τεχνική ιατρικής απεικόνισης βασισμένη σε υπερήχους που χρησιμοποιείται για την απεικόνιση μυών, τενόντων και πολλών εσωτερικών οργάνων για την καταγραφή του μεγέθους, της δομής και τυχόν παθολογικών βλαβών με τομογραφικές εικόνες σε πραγματικό χρόνο . Το υπερηχογράφημα χρησιμοποιείται από ακτινολόγους και τεχνικούς υπερήχων για την απεικόνιση του ανθρώπινου σώματος για τουλάχιστον 50 χρόνια και έχει γίνει ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο διαγνωστικό εργαλείο. Η τεχνολογία είναι σχετικά φθηνή και φορητή, ειδικά σε σύγκριση με άλλες τεχνικές, όπως μαγνητική τομογραφία (magnetic resonance imaging ή MRI) και αξονική τομογραφία (computed tomography ή CT). Ο υπέρηχος χρησιμοποιείται επίσης για την απεικόνιση των εμβρύων κατά τη διάρκεια εξετάσεων ρουτίνας και έκτακτης ανάγκης για τη προγεννητική φροντίδα. Τέτοιες διαγνωστικές εφαρμογές που χρησιμοποιούνται κατά την εγκυμοσύνη αναφέρονται ως Μαιευτική Υπερηχογραφία (Obstetric ultrasonography). Όπως εφαρμόζεται επί του παρόντος στον ιατρικό τομέα, το σωστά εκτελούμενο υπερηχογράφημα δεν ενέχει γνωστούς κινδύνους για τον ασθενή. Η υπερηχογραφία δεν χρησιμοποιεί ιονίζουσα ακτινοβολία και τα επίπεδα ισχύος που χρησιμοποιούνται για την απεικόνιση είναι πολύ χαμηλά για να προκαλέσουν δυσμενείς επιπτώσεις θέρμανσης ή πίεσης στους ιστούς. Αν και οι μακροπρόθεσμες επιπτώσεις λόγω της έκθεσης στους υπερήχους σε διαγνωστική ένταση είναι ακόμη άγνωστες, επί του παρόντος οι περισσότεροι γιατροί πιστεύουν ότι τα οφέλη για τους ασθενείς υπερτερούν των κινδύνων. Η αρχή στο χαμηλότερο δυνατό επίπεδο (As Low As Reasonably Achievable ή ALARA) έχει υποστηριχθεί για μια υπερηχογραφική εξέταση, δηλαδή, η διατήρηση του χρόνου σάρωσης και των ρυθμίσεων ισχύος όσο το δυνατόν χαμηλότερα αλλά συνεπής με τη διαγνωστική απεικόνιση και ότι οι βασικές μη ιατρικές χρήσεις, οι οποίες εξ ορισμού δεν είναι απαραίτητες, αποθαρρύνονται ενεργά.

Ο υπέρηχος χρησιμοποιείται επίσης όλο και περισσότερο σε περιπτώσεις τραύματος και πρώτων βοηθειών, με το υπερηχογράφημα έκτακτης ανάγκης (emergency ultrasound) να αποτελεί βασικό στοιχείο των περισσότερων ομάδων απόκρισης EMT. Επιπλέον, ο υπέρηχος χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις απομακρυσμένης διάγνωσης όπου απαιτείται  τηλεδιαβούλευση (teleconsultation), όπως επιστημονικά πειράματα στο διάστημα ή διάγνωση  αθλητικών ομάδων που κινούνται.

Σύμφωνα με το RadiologyInfo, τα υπερηχογραφήματα είναι χρήσιμα για την ανίχνευση ανωμαλιών πυέλου και μπορεί να περιλαμβάνουν τεχνικές γνωστές ως κοιλιακός (διακοιλιακός) υπέρηχος, κολπικός (διακολπικός ή ενδοκολπικός) υπέρηχος στις γυναίκες και επίσης ορθικό (διορθικό) υπερηχογράφημα στους άνδρες.

 Κτηνιατρική 
Το διαγνωστικό υπερηχογράφημα χρησιμοποιείται εξωτερικά σε άλογα για την αξιολόγηση τραυματισμών μαλακών ιστών και τενόντων, και εσωτερικά ειδικότερα για την αξιολόγηση της αναπαραγωγικής οδού της φοράδας και την ανίχνευση εγκυμοσύνης. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί με εξωτερικό τρόπο σε επιβήτορες για την αξιολόγηση της κατάστασης και της διαμέτρου των όρχεων καθώς και εσωτερικά για αναπαραγωγική αξιολόγηση (σπερματικός πόρος κ.λπ.).

Από το 2005, η τεχνολογία υπερήχων άρχισε να χρησιμοποιείται από τη βιομηχανία βοείου κρέατος των βοοειδών για τη βελτίωση της υγείας των ζώων και της απόδοσης των εργασιών βοοειδών. Ο υπέρηχος χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση του πάχους, του λίπους, της περιοχής των πλευρών, των ματιών και του ενδομυϊκού λίπους σε ζωντανά ζώα. Χρησιμοποιείται επίσης για την αξιολόγηση της υγείας και των χαρακτηριστικών των αγέννητων μόσχων.

Η τεχνολογία υπερήχων παρέχει στους παραγωγούς βοοειδών ένα μέσο για τη λήψη πληροφοριών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της εκτροφής και της εκτροφής βοοειδών. Η τεχνολογία μπορεί να είναι δαπανηρή και απαιτεί σημαντική χρονική δέσμευση για συνεχή συλλογή δεδομένων και εκπαίδευση χειριστή. Ωστόσο, αυτή η τεχνολογία έχει αποδειχθεί χρήσιμη για τη διαχείριση και τη λειτουργία μιας επιχείρησης εκτροφής βοοειδών.

 Επεξεργασία και ισχύς 
Οι εφαρμογές υπερήχων υψηλής ισχύος χρησιμοποιούν συχνά συχνότητες μεταξύ 20 kHz και μερικών εκατοντάδων kHz. Οι εντάσεις μπορεί να είναι πολύ υψηλές, πάνω από 10 Watt ανά τετραγωνικό εκατοστό, η σπηλαίωση μπορεί να επάγεται σε υγρά μέσα και ορισμένες εφαρμογές χρησιμοποιούν έως και 1000 Watt ανά τετραγωνικό εκατοστό. Τέτοιες υψηλές εντάσεις μπορούν να προκαλέσουν χημικές αλλαγές ή να προκαλέσουν σημαντικές επιδράσεις με άμεση μηχανική δράση και μπορεί να αδρανοποιήσουν επιβλαβείς μικροοργανισμούς.

 Φυσικοθεραπεία 
Ο υπέρηχος χρησιμοποιείται από τη δεκαετία του 1940 από φυσικοθεραπευτές και εργοθεραπευτές για τη θεραπεία συνδετικού ιστού: συνδέσμων, τενόντων και περιτονίας (fascia) (και επίσης σε ουλές ιστών). Οι καταστάσεις για τις οποίες μπορεί να χρησιμοποιηθεί το υπερηχογράφημα για θεραπεία περιλαμβάνουν τα ακόλουθα παραδείγματα: διάστρεμμα σε συνδέσμους, καταπόνηση μυών, τενοντίτιδα, φλεγμονή των αρθρώσεων, πελματιαία απονευρωσίτιδα, μεταταρσαλγία, ερεθισμός όψεων, σύνδρομο πρόσκρουσης (impingement syndrome),  θυλακίτιδα (bursitis), ρευματοειδής αρθρίτιδα, οστεοαρθρίτιδα και προσκόλληση ουλώδους ιστού.

 Βιοϊατρικές εφαρμογές 
Το υπερηχογράφημα έχει διαγνωστικές και θεραπευτικές εφαρμογές, που μπορεί να είναι εξαιρετικά ωφέλιμο όταν χρησιμοποιείται με προφυλάξεις δοσολογίας. Ο υπέρηχος σχετικά υψηλής ισχύος μπορεί να διασπάσει πετρώδεις εναποθέσεις ή ιστούς, να επιταχύνει τη δράση των φαρμάκων σε μια στοχευμένη περιοχή, να βοηθήσει στη μέτρηση των ελαστικών ιδιοτήτων του ιστού και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταξινόμηση κυττάρων ή μικρών σωματιδίων για έρευνα.

 Επεξεργασία κρούσης με υπερήχους 
Η Επεξεργασία κρούσης με υπερήχους (Ultrasonic impact treatment ή UIT) χρησιμοποιεί υπερήχους για να βελτιώσει τις μηχανικές και φυσικές ιδιότητες των μετάλλων. Είναι μια τεχνική μεταλλουργικής επεξεργασίας κατά την οποία η υπερηχητική ενέργεια εφαρμόζεται σε ένα μεταλλικό αντικείμενο. Η επεξεργασία με υπερήχους μπορεί να οδηγήσει σε ελεγχόμενη υπολειπόμενη θλιπτική τάση (compressive stress), βελτίωση κόκκων και μείωση του μεγέθους των κόκκων. Η κόπωση χαμηλού και υψηλού κύκλου ενισχύεται και έχει τεκμηριωθεί ότι παρέχουν αυξήσεις έως και δέκα φορές μεγαλύτερες από τα δείγματα που δεν είναι UIT. Επιπλέον, το UIT έχει αποδειχθεί αποτελεσματικό στην αντιμετώπιση διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση (stress corrosion cracking), κόπωση από διάβρωση (corrosion fatigue) και συναφών ζητημάτων.

Όταν το εργαλείο UIT, που αποτελείται από τον μορφοτροπέα υπερήχων, τις ακίδες και άλλα εξαρτήματα, έρχεται σε επαφή με το τεμάχιο εργασίας, συνδέεται ακουστικά με το τεμάχιο εργασίας, δημιουργώντας αρμονικό συντονισμό. Αυτός ο αρμονικός συντονισμός εκτελείται σε μια προσεκτικά βαθμονομημένη συχνότητα, στην οποία τα μέταλλα ανταποκρίνονται πολύ ευνοϊκά.

Ανάλογα με τα επιθυμητά αποτελέσματα της επεξεργασίας εφαρμόζεται ένας συνδυασμός διαφορετικών συχνοτήτων και πλάτους μετατόπισης. Αυτές οι συχνότητες κυμαίνονται μεταξύ 25 και 55 kHz, με το πλάτος μετατόπισης του σώματος συντονισμού μεταξύ 22 και 50 .

Οι συσκευές UIT βασίζονται σε μαγνητοσυσταλτικούς (magnetostrictive)μετατροπείς.

Διεργασία υπερηχοβολισμού
Ο υπερηχοβολισμός (Ultrasonication) προσφέρει μεγάλες δυνατότητες στην επεξεργασία υγρών και πολτών, βελτιώνοντας την ανάμιξη και τις χημικές αντιδράσεις σε διάφορες εφαρμογές και βιομηχανίες. Ο υπερηχοβολισμός δημιουργεί εναλλασσόμενα κύματα χαμηλής και υψηλής πίεσης σε υγρά, οδηγώντας στο σχηματισμό και τη βίαιη κατάρρευση μικρών φυσαλίδων κενού. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση και προκαλεί υψηλής ταχύτητας προσκρούσεις υγρών πιδάκων και ισχυρές υδροδυναμικές δυνάμεις διάτμησης. Αυτά τα αποτελέσματα χρησιμοποιούνται για την αποσυσσωμάτωση και άλεση υλικών μεγέθους μικρομέτρων και νανομέτρων καθώς και για τη διάσπαση των κυττάρων ή την ανάμειξη αντιδρώντων. Από αυτή την άποψη, ο υπερηχοβολισμός είναι μια εναλλακτική λύση για τους αναμικτήρες υψηλής ταχύτητας και τους μύλους με σφαιρίδια αναδευτήρα. Τα φύλλα υπερήχων κάτω από το κινούμενο σύρμα σε μια μηχανή χαρτιού θα χρησιμοποιήσουν τα κρουστικά κύματα από τις εκρήξεις φυσαλίδων για να κατανείμουν τις ίνες κυτταρίνης πιο ομοιόμορφα στον παραγόμενο ιστό χαρτιού, γεγονός που θα κάνει ένα πιο δυνατό χαρτί με πιο ομοιόμορφες επιφάνειες. Επιπλέον, οι χημικές αντιδράσεις επωφελούνται από τις ελεύθερες ρίζες που δημιουργούνται από τη σπηλαίωση καθώς και από την εισροή ενέργειας και τη μεταφορά υλικού μέσω των οριακών στρωμάτων. Για πολλές διεργασίες, αυτό το ηχοχημικό αποτέλεσμα οδηγεί σε σημαντική μείωση του χρόνου αντίδρασης, όπως στην του λαδιού σε βιοντίζελ.

Απαιτείται σημαντική ένταση υπερήχων και υψηλά πλάτη δόνησης υπερήχων για πολλές εφαρμογές επεξεργασίας, όπως η νανο-κρυστάλλωση, η νανογαλακτωματοποίηση, η αποσυσσωμάτωση, η εκχύλιση, η διάσπαση κυττάρων, καθώς και πολλές άλλες. Συνήθως, μια διεργασία δοκιμάζεται πρώτα σε εργαστηριακή κλίμακα για να αποδειχθεί η σκοπιμότητα και να καθοριστούν ορισμένες από τις απαιτούμενες παραμέτρους έκθεσης στους υπερήχους. Μετά την ολοκλήρωση αυτής της φάσης, η διαδικασία μεταφέρεται σε πιλοτική κλίμακα (εργαστηριακή) για βελτιστοποίηση ροής πριν από την παραγωγή και στη συνέχεια σε βιομηχανική κλίμακα για συνεχή παραγωγή. Κατά τη διάρκεια αυτών των βημάτων κλιμάκωσης, είναι απαραίτητο να επιβεβαιωθεί ότι όλες οι συνθήκες τοπικής έκθεσης (πλάτος υπερήχων, ένταση σπηλαίωσης, χρόνος παραμονής στην ενεργή ζώνη σπηλαίωσης, κ.λπ.) παραμένουν ίδιες. Εάν πληρούται αυτή η προϋπόθεση, η ποιότητα του τελικού προϊόντος παραμένει στο βελτιστοποιημένο επίπεδο, ενώ η παραγωγικότητα αυξάνεται κατά έναν προβλέψιμο συντελεστή κλιμάκωσης. Η αύξηση της παραγωγικότητας είναι αποτέλεσμα του γεγονότος ότι τα συστήματα επεξεργασίας υπερήχων εργαστηρίου, και βιομηχανικής κλίμακας ενσωματώνουν προοδευτικά μεγαλύτερες υπερηχητικές κόρνες, ικανές να δημιουργήσουν προοδευτικά μεγαλύτερες ζώνες υψηλής έντασης σπηλαίωσης και, επομένως, να επεξεργάζονται περισσότερο υλικό ανά μονάδα χρόνου. Αυτό ονομάζεται άμεση επεκτασιμότητα. Είναι σημαντικό να επισημανθεί ότι η αύξηση της ισχύος του επεξεργαστή υπερήχων από μόνη της «δεν» οδηγεί σε άμεση επεκτασιμότητα, καθώς μπορεί (και συχνά συνοδεύεται) από μείωση του πλάτους των υπερήχων και της έντασης της σπηλαίωσης. Κατά την άμεση επεκτασιμότητα, πρέπει να διατηρούνται όλες οι συνθήκες επεξεργασίας, ενώ η ονομαστική ισχύς του εξοπλισμού αυξάνεται προκειμένου να καταστεί δυνατή η λειτουργία μιας μεγαλύτερης κόρνας υπερήχων.

Υπερηχητικός χειρισμός και χαρακτηρισμός σωματιδίων 
Ένας ερευνητής στο Ινστιτούτο Έρευνας Βιομηχανικών Υλικών, ο Alessandro Malutta, επινόησε ένα πείραμα που απέδειξε τη δράση παγίδευσης των υπερηχητικών στάσιμων κυμάτων σε ίνες ξυλοπολτού αραιωμένες σε νερό και τον παράλληλο προσανατολισμό τους στα ισαπέχοντα επίπεδα πίεσης. Ο χρόνος για τον προσανατολισμό των ινών σε ισαπέχοντα επίπεδα μετράται με λέιζερ και ηλεκτροοπτικό αισθητήρα. Αυτό θα μπορούσε να προσφέρει στη βιομηχανία χαρτιού ένα γρήγορο επιτόπιο σύστημα μέτρησης μεγέθους ινών. Μια κάπως διαφορετική εφαρμογή επιδείχθηκε στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια χρησιμοποιώντας ένα μικροτσίπ που παρήγαγε ένα ζεύγος ακουστικών κυμάτων κάθετης επιφάνειας που επέτρεπε την τοποθέτηση σωματιδίων σε ίση απόσταση μεταξύ τους σε ένα πλέγμα. Αυτό το πείραμα, που ονομάζεται ακουστικά τσιμπιδάκια (acoustic tweezers), μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές στις επιστήμες των υλικών, τη βιολογία, τη φυσική, τη χημεία και τη νανοτεχνολογία.

 Καθαρισμός με υπερήχους 

Τα υπερηχητικά καθαριστικά, χρησιμοποιούνται σε συχνότητες από 20 έως 40 kHz για κοσμήματα, φακούς και άλλα οπτικά μέρη, ρολόγια, οδοντιατρικά όργανα, χειρουργικά όργανα, ρυθμιστές κατάδυσης και βιομηχανικά μέρη. Ένα καθαριστικό υπερήχων λειτουργεί κυρίως με ενέργεια που εκλύεται από την κατάρρευση εκατομμυρίων μικροσκοπικών σπηλαιώσεων κοντά στη βρώμικη επιφάνεια. Οι φυσαλίδες που δημιουργούνται από τη σπηλαίωση καταρρέουν σχηματίζοντας μικροσκοπικούς πίδακες που κατευθύνονται στην επιφάνεια.

 Αποσύνθεση με υπερήχους 
Παρόμοια με τον καθαρισμό με υπερήχους, τα βιολογικά κύτταρα, συμπεριλαμβανομένων των βακτηρίων μπορούν να αποσυντεθούν. Ο υπέρηχος υψηλής ισχύος παράγει σπηλαίωση που διευκολύνει τη διάσπαση ή τις αντιδράσεις των σωματιδίων. Αυτό χρησιμοποιείται στη Βιολογία για αναλυτικούς ή χημικούς σκοπούς (ηχοβολισμός) και στη θανάτωση βακτηρίων στα λύματα. Ο υπέρηχος υψηλής ισχύος μπορεί να διασπάσει την ιλύ καλαμποκιού και να ενισχύσει τη ρευστοποίηση και τη σακχαροποίηση για υψηλότερη απόδοση αιθανόλης σε μονάδες άλεσης ξηρού καλαμποκιού.

 Υγραντήρας υπερήχων 
Ο υγραντήρας υπερήχων, ένας τύπος νεφελοποιητή (nebulizer) (μια συσκευή που δημιουργεί ένα πολύ λεπτό σπρέι), είναι ένας δημοφιλής τύπος υγραντήρα. Λειτουργεί με δόνηση μιας μεταλλικής πλάκας σε συχνότητες υπερήχων για να νεφελοποιήσει (μερικές φορές λανθασμένα ονομάζεται "ατομοποίηση") το νερό. Επειδή το νερό δεν θερμαίνεται για εξάτμιση, παράγει μια δροσερή ομίχλη. Τα υπερηχητικά κύματα πίεσης νεφελοποιούν όχι μόνο το νερό αλλά και υλικά στο νερό, όπως ασβέστιο, άλλα μέταλλα, ιούς, μύκητες, βακτήρια, και άλλες ακαθαρσίες.

Οι υγραντήρες υπερήχων χρησιμοποιούνται συχνά στην αεροπονική (aeroponics), όπου αναφέρονται γενικά ως ψεκαστήρες (foggers).

 Συγκόλληση με υπερήχους 
Στην υπερηχητική συγκόλληση ( ultrasonic welding) πλαστικών, χρησιμοποιείται δόνηση χαμηλού πλάτους υψηλής συχνότητας (15 kHz έως 40 kHz) για τη δημιουργία θερμότητας μέσω τριβής μεταξύ των υλικών που πρόκειται να ενωθούν. Η διεπαφή των δύο μερών είναι ειδικά σχεδιασμένη για να συγκεντρώνει την ενέργεια για μέγιστη αντοχή συγκόλλησης.

Ηχοχημεία 
Ο υπέρηχος ισχύος στην περιοχή 20–100 kHz χρησιμοποιείται στη χημεία. Ο υπέρηχος δεν αλληλεπιδρά απευθείας με το μόριο για να προκαλέσει τη χημική αλλαγή, καθώς το τυπικό μήκος κύματός του (στην περιοχή του χιλιοστού) είναι πολύ μεγάλο σε σύγκριση με τα μόρια. Αντίθετα, η ενέργεια προκαλεί σπηλαίωση που δημιουργεί ακραίες θερμοκρασίες και πίεση στο υγρό όπου συμβαίνει η αντίδραση. Ο υπέρηχος διασπά επίσης τα στερεά και αφαιρεί στρώματα παθητικοποίησης χημικά αδρανούς υλικού για να δώσει μεγαλύτερο εμβαδόν επιφάνειας ώστε να συμβεί η αντίδραση. Και τα δύο αυτά αποτελέσματα κάνουν την αντίδραση πιο γρήγορη. Το 2008, ο Atul Kumar ανέφερε σύνθεση εστέρων Hantzsch και παραγώγων πολυϋδροκινολίνης μέσω πρωτοκόλλου αντίδρασης πολλαπλών συστατικών σε υδατικά μικκύλια χρησιμοποιώντας υπερήχους.

Ο υπέρηχος χρησιμοποιείται στην εξαγωγή υγρού-υγρού, χρησιμοποιώντας διαφορετικές συχνότητες.

 Ασύρματη επικοινωνία 
Τον Ιούλιο του 2015, ο The Economist ανέφερε ότι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Μπέρκλεϋ διεξήγαγαν μελέτες υπερήχων χρησιμοποιώντας διαφράγματα γραφενίου. Η λεπτότητα και το χαμηλό βάρος του γραφενίου σε συνδυασμό με την αντοχή του το καθιστούν αποτελεσματικό υλικό για χρήση στις επικοινωνίες υπερήχων. Μια προτεινόμενη εφαρμογή της τεχνολογίας θα ήταν οι υποβρύχιες επικοινωνίες, όπου τα ραδιοκύματα συνήθως δεν ταξιδεύουν καλά.

Τα σήματα υπερήχων έχουν χρησιμοποιηθεί σε "ηχητικούς φάρους (audio beacons)" για παρακολούθηση μεταξύ συσκευών (cross-device tracking) χρηστών του Διαδικτύου.

Άλλες χρήσεις
Οι υπέρηχοι όταν εφαρμόζονται σε συγκεκριμένες διαμορφώσεις μπορούν να παράγουν σύντομες εκρήξεις φωτός σε ένα εξωτικό φαινόμενο γνωστό ως ηχοφωταύγεια. Αυτό το φαινόμενο διερευνάται εν μέρει λόγω της πιθανότητας σύντηξης φυσαλίδων (μια αντίδραση πυρηνικής σύντηξης που υποτίθεται ότι συμβαίνει κατά τη διάρκεια της ηχοφωταύγειας).

Οι υπέρηχοι χρησιμοποιούται κατά τον χαρακτηρισμό σωματιδίων μέσω της τεχνικής της ultrasound attenuation spectroscopy φασματοσκοπίας εξασθένησης υπερήχων (ultrasound attenuation spectroscopy), ή με παρατήρηση ηλεκτροακουστικών φαινομένων ή με διακρανιακός παλμικός υπέρηχος (Transcranial Pulsed Ultrasound).

Ο ήχος μπορεί να μεταδοθεί με διαμορφωμένο υπερήχο.

Μια παλαιότερα δημοφιλής εφαρμογή υπερήχων στους καταναλωτές ήταν στα τηλεχειριστήρια των τηλεοράσεων για τη ρύθμιση της έντασης και την αλλαγή καναλιών. Εισήχθη από την Zenith Electronics|Zenith στα τέλη της δεκαετίας του 1950, το σύστημα χρησιμοποίησε ένα τηλεχειριστήριο χειρός που περιείχε αντηχεία κοντών ράβδων που τα χτυπούσαν μικρά σφυριά και ένα μικρόφωνο στο σύνολο. Τα φίλτρα και οι ανιχνευτές διέκριναν τις διάφορες λειτουργίες. Τα κύρια πλεονεκτήματα ήταν ότι δεν χρειαζόταν μπαταρία στο κουτί χειρός και, σε αντίθεση με τα ραδιοκύματα, ο υπέρηχος ήταν απίθανο να επηρεάσει γειτονικές συσκευές. Οι υπέρηχοι παρέμειναν σε χρήση έως ότου αντικαταστάθηκε από συστήματα υπερύθρων από τα τέλη της δεκαετίας του 1980.

Ασφάλεια
Η επαγγελματική έκθεση σε υπερήχους άνω των 120 dB μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια ακοής. Η έκθεση άνω των 155 dB μπορεί να προκαλέσει θερμαντικές επιδράσεις που είναι επιβλαβείς για το ανθρώπινο σώμα και έχει υπολογιστεί ότι έκθεση άνω των 180 dB μπορεί να οδηγήσει σε θάνατο. Η ανεξάρτητη Συμβουλευτική Ομάδα του Ηνωμένου Βασιλείου για τη μη ιονίζουσα ακτινοβολία (AGNIR) εκπόνησε μια έκθεση το 2010, η οποία δημοσιεύτηκε από τον Οργανισμό Προστασίας Υγείας του Ηνωμένου Βασιλείου (HPA). Αυτή η αναφορά συνέστησε ένα όριο έκθεσης για το ευρύ κοινό σε επίπεδα ηχητικής πίεσης υπερήχων του αέρα (SPL) 70 dB (στα 20 kHz) και 100 dB (στα 25 kHz και άνω).

 Παραπομπές 

 Παραπέρα μελέτη 




Εξωτερικοί σύνδεσμοι

 Guidelines for the Safe Use of Ultrasound: valuable insight on the boundary conditions tending towards abuse of ultrasound

Κατηγορία:Ακουστική
Κατηγορία:Ήχος