Ultrasunete si infrasunete

Elev : Barbu Diana

Disciplina : Fizica

Profesor : Stefan Mirela

Clasa : a – XI –a D

Ultrasunete

Ultrasunetele sunt vibrații mecanice cu frecvențe mai mari de 20 000 Hz. Ele au de obicei intensitatea redusă. Ultrasunetele cu intensitate mare se obțin prin procedee electromecanice care se bazează pe fenomenul piezoelectricși / sau pe fenomenul magnetostric ț iune . Pot fi generate, de asemenea, cu fluiere.

Liliacul folosește ultrasunete pentru a se deplasa prin întuneric

1.Capacitatea de a auzi ultrasunete

Gamele de frecvenţă aproximative corespunzătoare ultrasunetelor

La om limita superioară a auzului tinde să scadă cu vârsta astfel că omul matur nu mai poate auzi acele sunete pițigăiate pe care un copil le aude. Anumite companii de telefoane mobile folosesc acest lucru pentru a crea sonerii de telefon care să fie auzite numai de cei tineri, dar ele sunt auzite câteodată și de cei în vârstă din motive diferite.

Unele animale - cum ar fi câini, pisici, delfini, liliaci și șoareci - au o limită superioară a frecvenței mai mare decât cea a urechii umane și astfel pot auzi ultrasunete, acesta fiind modul în care un fluier pentru funcționează.

2.Ultrasunete cu intensitate mare

2.1Generatorul piezoelectric

Figura 1. Efectul piezoelectric

Unii dielectrici cristalini formați din dipoli permanenți care au centru de simetrie (adică toate substanțele feroelectrice) prezintă așa numitul efect piezoelectric direct. Acesta constă în următoarele: dacă un astfel de cristal este supus la o deformare elastică, de exemplu la întindere (cazul (a) din figura 1) sau la comprimare (cazul (b) din figura 1) , atunci dipolii săi moleculari se vor roti într-un mod determinabil și cristalul se polarizează, conform celor două cazuri din figură. Pe fețele opuse solicitărilor mecanice apar sarcini electrice legate are creează o diferență de potențial (deci și un câmp electric) între ele. Mărimea polarizației, a diferenței de potențial este proporțională cu mărimea deformării mecanice. La schimbarea sensului de deformație se schimbă și semnul polarizării electrice.

Cele mai cunoscute cristale piezoelectrice naturale sunt cuar ț ul , sarea Seignette, metatitanatul de bariu, etc.

La aceleași cristale s-a observat și efectul piezoelectric invers. Acest efect se materializează astfel: la aplicarea unei diferențe de potențial pe fețele care se electrizau înainte, în funcție de mărimea acesteia, apare proporțional o deformare mecanică de întindere sau de comprimare, deformare datorată rotației provocate a dipolilor mecanici.

În figura de mai sus este prezentată situația în care cristalul a fost tăiat încât pe direcția de aplicare a efortului exterior este perpendiculară pe direcția suprafețelor care se electrizează. Un astfel de efect piezoelectric se numește efect piezoelectric longitudinal.

Intensitatea undelor ultrasonore emise este maximă atunci când este îndeplinită condiția de rezonanță pentru frecvența fundamentală, adică, ca și la undele staționare la coarda vibrantă:

d = λ / 2 = γ / 2v <=> v =γ / 2d = (1/2d) * radical (E/ρ)

d – grosimea lamei

Pentru obținerea ultrasunetelor pe baza efectului piezoelectric se folosesc diferite montaje electronice, dintre care două sunt mai cunoscute: montajul în rezonanță (fig. 2) și montajul în oscilație.

2.2.Generatorul de ultrasunete magnetostrictiv

Fenomenul de magnetostric ț iune directă a fost descoperit de Joule încă din 1848 și constă în proprietatea substanțelor feromagnetice de a se dilata sau contracta în procesul lor de magnetizare. Există și un fenomen de magnetostricțiune inversă care constă în faptul că o bară feromagnetică deja magnetizată este supusă din exterior unor deformări mecanice, intensitatea sa de magnetizare creste sau scade în funcție de mărimea deformației imprimate. Intensitatea manifestării magnetostrictive depinde de natura materialului feromagnetic, de tratamentul la care a fost supus, de temperatura de lucru, de intensitatea câmpului magnetic utilizat și de lungimea barei.

Dacă bara feromagnetică folosită nu este magnetizată înainte, la introducerea ei într-un câmp magnetic alternativ, va emite ultrasunete la o frecvență dublă față de cea a curentului care alimentează bobina.

Dacă bara feromagnetică folosită a fost magnetizată înainte într-un câmp magnetic constant, la introducerea sa într-un câmp magnetic alternativ al unei bobine, aceasta se va deforma mecanic numai la alternanța câmpului magnetic exterior care-i intensifică câmpul magnetic propriu. Undele ultrasonore produse în această situație vor avea aceeași frecvență cu cea a curentului alternativ care alimentează bobina.

Micromasaj indus prin ultrasunete

Actiunea mecanica asupra tesutului - indusa prin macro-masajul manual mecanic - poate fi amplificata cu ajutorul ultrasunetelor (micromasaj sau masaj la nivel celular).

Terapiile cu ultrasunete utilizeaza intensitati reduse si frecvente inalte (de la 1 Mhz - 3 Mhz, adica de peste 1 milion de vibratii pe secunda). De aceea vibratiile lor nu pot fi auzite sau simtite, le simtim doar datorita caldurii interioare generate.

Ultrasunetele fac celulele sa oscileze si sa genereze caldura in profunzime. Daca tesutul este incalzit la 40 - 45 grade Celsius, el va intra intr-o stare in care creste circulatia, scade inflamatia cronica (daca exista). De asemenea daca intensitatea este suficient de inalta se poate produce fenomenul de cavitatie. Acesta consta in formarea unor bule de aer microscopice in tesut care apoi se contracta brusc (implodeaza)

eliberand energie. Acest fenomen produs la intensitati mici ajuta la accelerarea repararii tesuturilor si a membranelor celulare.

Bulele de aer care implodeaza  contribuie la eliberarea celulelor grase din fibrele de colagen si la dizolvarea lor, ele fiind preluate apoi de sistemul limfatic si eliminate din organism. Fenomenul este unul de mica intensitate, stabil si sigur care nu poate afecta negativ tesuturile. Acest micromasaj actioneaza la nivel celular imbunatatind efectele stimularii mecanice exterioare prin masaj.

  Aplicatii :

Ultrasunete in medicina  Importanta ultrasunetelor si a producerii lor a crescut in ultimul timp datorita unorlargi aplicatii ale acestora.

Diagnosticul cu ultrasunete

Tesuturile pe care le traverseaza fasciculul ultrasonic au proprietati acusticedeosebite,producand absorbtii si reflexii diferite ale ultrasunetului.Astfel , ultrasunetele devinutile in detectarea unor corpuri straine in organism sau in determinarea dimensiunilor unor organe.

Ultrasonografia in oftalmologie  Nici un alt organ nu este asa de usor accesibil examinarii cu ajutorul fascicului ultrasonic caochiul,pentru ca investigatia nu este deranjata de tesuturi vecine,care ar da ecouri impropriiglobului ocular.In scop diagnostic,ultrasunetele se utilizeaza curent la determinarea distantelor in globul ocular, la diagnosticarea tumorilor,dezlipirilor de retina,la stabilirea hemoragiilor,lalocalizarea corpurilor straine.

Ultrasunete in neurologie Un alt domeniu in care ultrasonografia a devenit o metoda foarte utila este explorareasistemului nervos central. Investigatia ecoencefalografica se bazeaza pe proprietateafasciculului ultrasonor de a traversa masa cranio-encefalica si de a fi reflectata. Mediculspecialist in timpul diagnosticarii bolii cerceteaza pozitia ecourilor normale si existenţaecourilor suplimentare.

Ultrasunete în medicina interna Prin dezvoltarea ecografiei, a devenit posibil ca pe ecranul osciloscopului sa apara o imaginea sectiunii transversale a tesutului de studiat (ficat,vezica biliara,glanda tiroida,etc.) Un alt rolimportant al ecotomografiei consta in ajutorul adus medicului care dirijeza iradierea tumorilor cu radiatii gamma, pentru stabilirea exacta a formei si marimii tumorii in vederea iradierii ei.Astfel se pot feri de iradiere inutila alte organe vitale din jurul tumorii.

Ultrasunete in cardiologie Anatomia si particularitaţile fiziologice ale inimii determina o succesiune a fenomenelor mecanice care se repeta cu fiecare contracţie si relaxare. Examinarea miscarilor inimii serealizeaza prin impulsuri

scurte de ultrasunete care se reflecta pe peretele inimii. Semnalelereceptionate sunt amplificate si vizualizate pe ecranul unui tub catodic.Utilizarea ultrasunetelor in terapie se bazeaza pe efectele benefice pe care acestea le auasupra organismului uman si animal. Experientele efectuate pe animale au aratat ca, in urmaexpunerii la ultrasunete, se produce cresterea temperaturii materialului biologic tratat, procesdependent de coeficientul de absorbtie: in oase si in tesutul nervos, cresterea de temperaturaeste mai pronuntata decat in tesutul adipos si cel muscular.Incalzirea selectiva a zonelor expuse la ultrasunete determina urmatoarele efecte: crestereacapacitatii de dilatare a tesutului colaginos, scaderea rigiditatii articulatiilor, cresterea praguluide durere a nervilor periferici si a terminatiilor nervoase, stimularea mecanismului de apararea corpului prin cresterea moderata a fluxului sangvin. 

Tratamentele cu Ultrasunete sunt excelente pentru remodelarea corporale

Deoarece reprezinta una din putinele metode in cursul careia intalnim un efect dublu: de spargere adepozitelor de grasime calcifiate si de dizolvare simultana a lor, cu rezultate vizibile intr-untimp relativ scurt.Microvibratiile neagresive si neinvazive sparg depozitele de grasime solidificate,stimuleaza eliberarea toxinelor din celule si transferarea lor in sistemul limfatic.Presiunea acustica realizeaza un micro-masaj la nivel local, descuamarea stratuluicornos. Undele acustice traverseaza gelurile bioactive vehiculand moleculele active din produsele cosmetice folosite, realizeaza stimularea metabolica a celulei si fibroblastilor necesari producerii de colagen, ajuta la refacerea tesuturilor si a fibrelor de elastina si colagen,atenueaza nodulii celulitici.

Infrasunete

Infrasunetele sunt sunetele cu frecvența cuprinsă între 0,001Hz și 20Hz și nu pot fi auzite de urechea umană. Știința care se ocupă cu studiul infrasunetelor se numește infrasonică. Infrasunetele sunt caracterizate de capacitatea acestora de a acoperi distanțe mari și de a ocoli obstacole fără multă disipație. Acestea sunt utilizate în special în seismologie la studiul cutremurelor.

Despre infrasunete

Prima observare a infrasuntetelor produse în mod natural a fost după erupția vulcanului Krakatoa în 1883 când valuri acustice consecutive au înconjurat Pământul de aproape 7 ori, fiind înregistrate de barometre din toată lumea. Infrasunetele au fost utilizate de armata SUA în Primul Război Mondial pentru a localiza artileria; frecvența tunurilor era diferită de frecvența exploziilor, făcând astfel ca cele 2 surse să poată fi diferențiate. Unul din pionierii în cercetarea infrasunetelor a fost francezul Vladimir Gavreau, născut în Rusia ca Vladimir Gavrosky. Interesul său în infrasunete s-a aprins în laboratorul lui la mijlocul anilor 1960, când el și asistenții săi de laborator au experimentat durere la nivelul timpanului și echipamentul de laborator se mișca, dar nici un sunet nu era perceput de microfoane. El a considerat că era vorba de infrasunete și a pregătit un laborator special pentru a face teste. Unul din testele sale a fost fluierul infrasonic. Infrasunetele apar în mod natural în urma avalanșelor, cutremurelor, cascadelor, fulgerelor, desprinderilor de iceberguri. Valurile oceanelor produc infrasunete cu frecvența de 0,2Hz numite microbaroame. Infrasunetele pot fi generate și de procese specifice activităților umane precum explozii, motoare diesel, turbine eoliene și subwoofere. Balenele, hipopotamii și aligatorii folosesc infrasuntele pentru a comunica, în cazul balenelor distanța ajungând la câțiva kilometri. A fost sugerat că păsările călătoare folosesc infrasunetele generate în mod natural de curenții de aer ca ajutor în navigație. Elefanții produc infrasunete care circulă prin pământ și sunt simțite de alte turme prin picioare. Oamenii de știintă au descoperit în mod accidental că vortexul unei tornade produce infrasunete. Când vortexurile sunt mari frecvența e mai mică, iar când vortexurile sunt mici frecvența e mai mare dar tot nu poate fi auzită de urechea umană. Aceste sunete pot fi percepute de la distanța de 160km și pot fi folosite pentru a da avertizări în cazul unei tornade

Reacția animalelor la infrasunete

Este cunoscut faptul că animalele pot percepe infrasuntele care circulă prin pământ și pot servi ca un semnal de avertizare. Un exemplu recent este tsunamiul din 2004 din Asia. Animalele au fost observate fugind cu mult înainte ca tsunamiul să ajungă pe coasta Asiei, însă nu se știe dacă acesta este motivul exact deoarece anumiți cercetători au sugerat că poate fi influența undelor electromagnetice și nu a celor infrasonice care le-au determinat pe animale să fugă. Elefanții sunt cunoscuți pentru capacitatea lor de a auzi infrasunetele de la 3-4Km distanță.

Reacția oamenilor la infrasunete

Infrasunetele sunt cunoscute pentru capacitatea lor de a crea o stare de neliniște, de a induce frică în oameni și de a-i face pe aceștia să creadă că se întâmplă evenimente supranaturale.Unele filme folosesc infrasunete pentru a dezorienta publicul (de exemplu Paranormal Activity).

Experimentul cu infrasunete de 17Hz

Pe 31 mai 2003, o echipă de cercetători din Marea Britanie a organizat un experiment la scară largă, expunând 700 de persoane la muzică însoțită de unde sonore de 17Hz generate de un subwoofer montat la 2 treimi de capătul unei țevi lungă de 7 metri. Concertul era susținut de 2 formații, fiecare cântând câte 4 melodii dintre care 2 conțineau sunete cu frecvența de 17Hz. Participanții nu au fost informați care piese conțin frecvențe de 17Hz pentru ca specatorii să nu se concentreze pe o anumită piesă. Prezența infrasunetelor a determinat ca 22% din spectatori să experimenteze sentimente de anxietate, frică, depresie, supărare, fiori pe șira spinării și presiune pe cutia toracică. Cercetătorii au concluzionat că deși oamenii nu percep în mod conștient infrasunetele, ele pot influența oamenii să aibă sentimente negative și senzații ciudate. Unii cercetători au sugerat că infrasunetele pot fi prezente la anumite case “bântuite”, lucru care ar explica “fantomele”.

Fantome și infrasunete

Vic Tandy, un cercetător la Universitatea Coventry a sugerat că frecvența de 19Hz este vinovată pentru multe din aparițiile fantomelor. Într-o noapte când lucra într-un laborator din Warwick a început să simtă anxietate și a văzut cu coada ochiului ceva gri. Când s-a întors nu era nimic. A doua zi când se antrena la scrimă, în timp ce ținea mânerul sabiei acesta a început să vibreze. Cercetările i-au arătat că ventilatorul din cameră emitea o frecvență de 18,98Hz, foarte aproape de frecvența de vibrare a ochiului stabilită la 18Hz de NASA în raportul tehnic nr. 19770013810. Din această cauză a văzut fantoma: globul ocular vibra cauzând o iluzie optică. Camera era exact jumătate din lungimea de undă iar biroul era în centru, cauzând astfel apariția unei unde statice care a fost detectată de mânerul sabiei.

Concluzie

Infrasunetele sunt folosite în seismologie la detectarea cutremurelor iar animalele pot simți infrasuntele create de dezastrele naturale fiind astfel un mijloc de a avertiza asupra apropierii unui dezastru natural. Cu toate că animalele comunică prin infrasunete, infrasunetele generează asupra oamenilor sentimente negative și senzații paranormale fiind responsabile pentru multe din aparițiile fantomelor.

Aplicaţii :

În psihologie

Infrasunetele produc senzaţii psihologice variate care debutează ca uşoară “iritaţie”. La anumite înălţimi, infrasunetele produc o presiune fizică. La o intensitate specifică joasă, frică şi dezorientare.

În construcţii - demolări

La o înălţime foarte specifică a infrasunetelor, acestea fac să explodeze diferite lucruri.

În lupta pentru supravieţuire

La alte înălţimi ale infrasunetelor, ele produc incapacitate şi ucid. Organismele se rup în bucăţi. Creaturile marine îşi folosesc acest potenţial pentru a-şi ucide prada.

În muzică

Tonurile bass emfatice ale catedralelor par a putea să explodeze chiar coloanele care susţin vechile bolte.

În industria militară

Desi cercetarile asupra armelor reprezentate de câmpurile electromagnetice asupra creierului uman sunt plasate temporar inca de la inceputul secolului XX, ele s-au dezvoltat in doua directii conform situatiilor ce apar in societate.

Bibliografie:

Iosif Nagy – ’’Ultrasunetele si aplicatiile lor „ www.optimed.ro www.master-beauty.com www.wordpress.com www.descopera.ro www.pss.ro www.wikipedia.ro