Ultrasunete și infrasunete

Urechea umană aude undele sonore cu frecvențe cuprinse între $16\mathrm{Hz}$ și $20000\mathrm{Hz}$. Undele cu frecvențe peste $20000\mathrm{Hz}$ se numesc ultrasunete, iar cele cu frecvențe sub $16\mathrm{Hz}$ se numesc infrasunete. Limitele auzului diferă între persoane și se modifică odată cu vârsta. Faptul că nu auzim o undă nu înseamnă că ea nu există sau că nu poate avea efecte.

Ultrasunetele pot fi folosite pentru a forma imagini ale structurilor din corp. Un aparat trimite impulsuri scurte și primește ecourile reflectate la granițele dintre țesuturi. Din timpul de întoarcere al ecourilor și viteza aproximativă a sunetului în țesut, aparatul estimează poziția granițelor. Gelul pus între traductor și piele reduce stratul de aer, care ar reflecta mult din undă.

Ultrasunetele se folosesc și la măsurarea distanțelor, iar cele puternice curăță obiecte scufundate într-un lichid prin cavitație: formarea și prăbușirea unor bule foarte mici. Aceleași efecte pot răni țesuturile, de aceea ultrasunetele și infrasunetele puternice cer măsuri de protecție. Infrasunetele pot fi produse de fenomene naturale și de unele mașini mari. Nu este corect să atribui automat orice stare neobișnuită infrasunetelor; pentru o explicație este nevoie de măsurare și de eliminarea altor cauze.

Ambele sunt unde mecanice și au nevoie de un mediu. Ele nu traversează vidul. Pentru aceeași viteză de propagare într-un mediu, o frecvență mai mare înseamnă o lungime de undă mai mică. Această relație influențează detaliile pe care le poate distinge o imagine ultrasonică, dar și atenuarea undelor în material.

Domeniile se definesc după frecvență: infrasunetele au $f<16\mathrm{Hz}$, sunetele audibile au $16\mathrm{Hz}<f<20\mathrm{kHz}$, iar ultrasunetele au $f>20\mathrm{kHz}$. Frecvența și viteza determină lungimea de undă, $\lambda =v/f$. În aer, un infrasunet de $10\mathrm{Hz}$ are $\lambda =34\mathrm{m}$, iar un ultrasunet de $40\mathrm{kHz}$ are $\lambda \approx 8,5\mathrm{mm}$. Absorbția undelor în mediu crește repede cu frecvența. De aceea infrasunetele cutremurelor, ale vulcanilor și ale furtunilor parcurg distanțe de mii de kilometri, iar ultrasunetele de $\mathrm{MHz}$ folosite în medicină sunt absorbite în cel mult câteva zeci de centimetri de țesut, cu atât mai repede cu cât frecvența este mai mare. Rețelele de stații care înregistrează infrasunete detectează explozii îndepărtate. Elefanții comunică prin sunete cu frecvențe de ordinul a $14$–$35\mathrm{Hz}$, iar liliecii și delfinii se orientează cu ultrasunete. În tehnica militară, sonarul activ folosește același principiu al ecoului pentru a localiza submarine și mine marine.

Ultrasunetele se produc cu traductoare piezoelectrice: o plăcuță de cuarț sau ceramică își modifică grosimea sub o tensiune electrică alternativă și vibrează cu frecvența tensiunii. Aceeași plăcuță, deformată de ecoul care revine, produce o tensiune electrică. În curățarea cu ultrasunete, băile vibrează la $20$–$40\mathrm{kHz}$; senzorii de parcare măsoară distanța la obstacole cu ultrasunete de circa $40\mathrm{kHz}$. În defectoscopie, un impuls trimis printr-o piesă metalică se reflectă pe o fisură interioară, iar timpul de întoarcere arată adâncimea la care se află fisura.

Cavitația. Când printr-un lichid trece un ultrasunet intens, în semiperioadele în care presiunea scade mult apar cavități mici, umplute cu vapori și gaz dizolvat. În semiperioada următoare presiunea crește, iar bulele se prăbușesc brusc. Prăbușirea produce în jur unde de șoc și jeturi de lichid, iar local presiunea și temperatura cresc puternic. Efectul este folosit la curățarea cu ultrasunete, unde bulele desprind murdăria de pe obiecte, inclusiv din locuri greu accesibile, la emulsionare, adică amestecarea fină a unor lichide nemiscibile precum apa și uleiul, și la eliminarea gazelor dizolvate. Același efect poate degrada suprafețe metalice și distruge celule.

Efecte asupra omului și măsuri de protecție. În diagnosticul medical se folosesc intensități mici și durate scurte, suficiente pentru imagine. La instalațiile industriale puternice, riscurile sunt zgomotul din domeniul audibil, care obosește și poate afecta auzul, încălzirea țesuturilor și vătămarea pielii prin cavitație dacă mâna ajunge în baie. Măsurile sunt carcasele și capacele închise, oprirea instalației înainte de introducerea obiectelor, căștile antifonice și limitarea duratei de expunere. Infrasunetele intense, produse de ventilatoare industriale, motoare mari sau turbine, pot provoca oboseală, amețeală și disconfort fără ca persoana să audă ceva; riscul se reduce prin amortizarea vibrațiilor la sursă, prin izolarea încăperilor și prin măsurarea și limitarea expunerii. Și mediul trebuie protejat: sonarele puternice pot deranja animalele marine care se orientează după sunet, deci emisia lor în zone sensibile se limitează.

Impulsul reflectat de un obstacol la distanța $d$ face drumul dus-întors, deci $\Delta t=2d/v$ și $d=v\Delta t/2$. La interfața dintre două medii cu impedanțele acustice $Z_1={\rho }_1{v}_1$ și $Z_2={\rho }_2{v}_2$, fracțiunea reflectată din intensitate, la incidență normală, este

Cu cât impedanțele diferă mai mult, cu atât reflexia este mai puternică.

Exemplu rezolvat 1. Un sonar de pe o navă emite ultrasunete de frecvență $40\mathrm{kHz}$ și recepționează ecoul de pe fund după $0,080\mathrm{s}$. Viteza sunetului în apă este $1500m/s$. Se cer adâncimea și lungimea de undă.

1. Distanța dus-întors este $v\Delta t=1500\cdot 0,080=120\mathrm{m}$.
2. Adâncimea este jumătate din aceasta, $d=120/2=60\mathrm{m}$.
3. Lungimea de undă este $\lambda =v/f=1500/40000=0,0375\mathrm{m}=37,5\mathrm{mm}$.

Dacă am lua $d=v\Delta t$, am obține $120\mathrm{m}$, adică dublul adâncimii reale.

Exemplu rezolvat 2. Un aparat de ecografie emite impulsuri de frecvență $3,5\mathrm{MHz}$ într-un țesut moale cu $\rho =1000kg/{\mathrm{m}}^3$ și $v=1540m/s$. Ecoul de la un organ se întoarce după $65\mu \mathrm{s}$. Se cer adâncimea organului, lungimea de undă și fracțiunea din intensitate reflectată de interfața aer–țesut (${\rho }_{\mathrm{aer}}=1,2kg/{\mathrm{m}}^3$, $v_{\mathrm{aer}}=340m/s$).

1. Adâncimea este $d=v\Delta t/2=1540\cdot 65\cdot 10^{-6}/2\approx 0,050\mathrm{m}=5,0\mathrm{cm}$.
2. Lungimea de undă este $\lambda =v/f=1540/(3,5\cdot 10^6)=0,44\mathrm{mm}$.
3. Impedanțele sunt $Z_1=1,2\cdot 340=408kg/({\mathrm{m}}^2\cdot \mathrm{s})$ și $Z_2=1000\cdot 1540=1,54\cdot 10^{6}kg/({\mathrm{m}}^2\cdot \mathrm{s})$.
4. Rezultă $R={\left(\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}\right)}^2\approx 0,9989$, adică $99,9\%$ din intensitate se reflectă.

Greșeli frecvente

• Greșit: a presupune că „inaudibil” înseamnă lipsa propagării sau a energiei.
  Corect: undele inaudibile se propagă și transportă energie.
• Greșit: a uita drumul dus-întors al impulsului la calculul distanței.
  Corect: distanța este $d=v\Delta t/2$.
• Greșit: a afirma că ultrasunetele sunt unde electromagnetice.
  Corect: ultrasunetele sunt unde mecanice și au nevoie de un mediu material.
• Greșit: a crede că ultrasunetele puternice sunt inofensive pentru că nu se aud.
  Corect: ele pot încălzi și vătăma țesuturile, inclusiv prin cavitație, deci cer măsuri de protecție.
• Greșit: a crede că infrasunetele sunt sunete foarte slabe.
  Corect: ele pot avea intensități mari; sunt inaudibile din cauza frecvenței sub $16\mathrm{Hz}$, nu din cauza intensității.

Înainte și după