Ultraääni

Vauvan sydämen ultraäänikuvaus

Ultraääni on ääntä, jonka taajuus on ihmisen korvan kuuloalueen yläpuolella (> 20 kHz). Nykyisillä laitteilla voidaan ultraääntä kehittää aina 1 000 MHz taajuuteen saakka. Ultraääni on atomien ja molekyylien mekaanista aaltoliikettä ja tarvitsee siksi edetäkseen väliaineen toisin kuin sähkömagneettinen säteily. Ultraääni ei etene lainkaan tyhjiössä ja vaimenee kaasuissakin nopeasti - etenkin korkeilla taajuuksilla (> 1 MHz) - mutta etenee hyvin nesteissä ja useimmissa kiinteissä aineissa.

Kaasuissa ja nesteissä ultraääni etenee vain pitkittäisenä aaltoliikkeenä, poikittainen aaltoliike vaimenee nopeasti. Pitkittäinen aaltoliike on värähtelyn tahdissa syntyviä harventumia ja tihentymiä aineen koostumuksessa. Partikkeleiden liikkeet ovat hyvin pieniä, vaikka ultraäänen teho ja paine-erot olisivat suuriakin.

Kiinteissä aineissa ultraääni etenee sekä pitkittäisinä että poikittaisina aaltoina. Kiinteän aineen ja kaasun tai nesteen rajapinnassa etenee myös pinta-aalto.

Lyhimmät ultraäänen aallonpituudet ovat verrattavissa näkyvän valon aallonpituuksiin, joten ultraäänillä on samankaltaisia ominaisuuksia kuin valolla esimerkiksi taittuminen, heijastuminen ja fokusoitavuus.

Kuuloalueen yläraja

Ihminen kuulee normaalisti äänet, joiden taajuus on noin 20 ja 20 000 hertsin välillä. Kuuloalueen yläraja kuitenkin vaihtelee yksilöllisesti ja alenee iän myötä, niin että vanhat ihmiset eivät enää kuule yhtä korkeita ääniä kuin nuoret.

Monet eläimet kuten koira, kissa sekä erityisesti lepakot ja delfiinit kuulevat huomattavasti korkeampiakin ääniä kuin ihminen. Sitä seikkaa, että koiralla kuuloalueen yläraja on korkeampi kuin ihmisellä, hyödynnetään koirapilleissä, joiden ääntä ihminen ei kuule.

Lepakot ja eräät valaat käyttävät itse tuottamiensa ultraäänien kaikuja suunnistamiseen ja saaliin löytämiseen kaikuluotaimen tapaan.

Ultraäänen tuottotavat

Yleisimpiä ultraääniä tuottavia laitteita ovat pietsosähköiset kiteet ohuina levyinä. Kun levyn pinnassa oleviin elektrodeihin tuodaan vaihtojännite, levy laajenee ja puristuu kokoon vaihtojännitteen tahdissa tuottaen ääniaaltoja.

Sovellukset

Hitsaus

Ultraääntä käytetään muun muassa ainetta rikkomattomassa tarkastuksessa (NDT eli Non-Destructive Testing) hitsausvirheiden kuten säröjen, liitosvikojen ja sulkeumien etsimisessä rakenteista ja hitseistä. Ultraäänellä voidaan myös mitata aineiden paksuuksia parhaimmillaan millimetrin tuhannesosan tarkkuudella.

Ultraääntä käytetään ns. ultraäänihitsauksessa myös muovien ja metallien hitsauksessa. Metallien ultraäänihitsauksella voidaan liittää nopeasti metallisia ja keraamisia materiaaleja. Menetelmä soveltuu myös eri sulamispisteen omaavien metallien liittämiseen. Tyypilliset sovellukset ovat sähkö- ja elektroniikkateollisuuden komponentit. Muoveilla ultraäänihitsaus soveltuu parhaiten termoplastisille muovilaaduille. Tyypillisimpiä ultraäänihitsauksen käyttäjiä ovat elektroniikka-, auto- ja pakkausteollisuus sekä leikkikaluvalmistajat.

Liiketunnistus ja etäisyyden mittaus

Ultraääneen perustuvia laitteita käytetään liikkeen havaitsemiseen ja etäisyyksien mittaamiseen.

Ultraäänipesu

Ultraäänipesu perustuu ultraäänen aiheuttamaan voimakkaaseen kavitaatioon. Pestävän kappaleen pinnassa syntyvät mikroskooppisen pienet kavitaatiokuplat saavat aikaan voimakkaita paineiskuja, jotka irrottavat tehokkaasti kaikkia epäpuhtauksia. Suomen ainoa ultraäänipesulaitteiden valmistaja on Lahdessa toimiva FinnSonic. Suomessa ultraäänipesua palveluna toteuttaa Sonicwash.

Lääketiede

Lääketieteellisessä kuvantamisessa ultraääntä käytetään muun muassa monien sisäelinten tutkimuksessa ja raskausaikana sikiöiden kehityksen seurannassa.

Aiheesta muualla

• Antti Grönroos: Ultrasonically Enhanced Disintegration Polymers, Sludge, and Contaminated Soil, VTT Publications 734, VTT 2010 (englanniksi) (pdf)
• INCHEM: Environmental Health Criteria for Ultrasound (englanniksi)